HYDROXYAPATITE: STRUCTURE, SYNTHÈSE, CRISTAUX ET UTILISATIONS - CHIMIE - 2024

L' hydroxyapatite est un phosphate de calcium minéral, dont la formule chimique est Ca ₁₀ (PO ₄) ₆ (OH) ₂. Avec d'autres minéraux et restes de matière organique concassée et compactée, il forme la matière première connue sous le nom de phosphate naturel. Le terme hydroxy fait référence à l'anion OH ^-.

Si à la place de cet anion il s'agissait de fluorure, le minéral serait appelé fluoroapatite (Ca ₁₀ (PO ₄) ₆ (F) ₂; et ainsi avec d'autres anions (Cl ^-, Br ^-, CO ₃ ^2–, etc.)., l'hydroxyapatite est le principal composant inorganique des os et de l'émail dentaire, présent principalement sous forme cristalline.

C'est donc un élément vital dans les tissus osseux des êtres vivants. Sa grande stabilité vis-à-vis des autres phosphates de calcium lui permet de résister aux conditions physiologiques, donnant aux os leur dureté caractéristique. L'hydroxyapatite n'est pas seule: elle remplit sa fonction accompagnée de collagène, une protéine fibreuse des tissus conjonctifs.

L'hydroxyapatite (ou hydroxylapatite) contient des ions Ca ²⁺, mais elle peut aussi abriter d'autres cations (Mg ²⁺, Na ⁺) dans sa structure, des impuretés qui interviennent dans d'autres processus biochimiques dans les os (comme leur remodelage).

Structure

L'image du haut illustre la structure de l'hydroxyapatite de calcium. Toutes les sphères occupent le volume d'une moitié d'un "tiroir" hexagonal, où l'autre moitié est identique à la première.

Dans cette structure, les sphères vertes correspondent aux cations Ca ²⁺, tandis que les sphères rouges correspondent aux atomes d'oxygène, les sphères oranges aux atomes de phosphore et les sphères blanches à l'atome d'hydrogène de OH ^-.

Les ions phosphate de cette image ont le défaut de ne pas présenter de géométrie tétraédrique; ils ressemblent plutôt à des pyramides à base carrée.

OH ^- donne l'impression qu'il est situé loin de Ca ²⁺. Cependant, l'unité cristalline peut se répéter sur le toit du premier, montrant ainsi la proximité étroite entre les deux ions. De même, ces ions peuvent être remplacés par d'autres (Na ⁺ et F ^-, par exemple).

Synthèse

L'hydroxylapatite peut être synthétisée en faisant réagir l'hydroxyde de calcium avec de l'acide phosphorique:

10 Ca (OH) ₂ + 6 H ₃ PO ₄ => Ca ₁₀ (PO ₄) ₆ (OH) ₂ + 18 H ₂ O

L'hydroxyapatite (Ca ₁₀ (PO ₄) ₆ (OH) ₂) est exprimée par deux unités de formule Ca ₅ (PO ₄) ₃ OH.

De même, l'hydroxyapatite peut être synthétisée par la réaction suivante:

10 Ca (NO ₃) _2. 4H ₂ O + 6 NH ₄ H ₂ PO ₄ => Ca ₁₀ (PO ₄) ₆ (OH) ₂ + 20 NH ₄ NO ₃ + 52 H ₂ O

Le contrôle de la vitesse de précipitation permet à cette réaction de générer des nanoparticules d'hydroxyapatite.

Cristaux d'hydroxyapatite

Les ions se compactent et se développent pour former un biocristal solide et rigide. Ceci est utilisé comme biomatériau pour la minéralisation des os.

Cependant, il a besoin de collagène, un support organique qui agit comme un moule pour sa croissance. Ces cristaux et leurs processus de formation compliqués dépendront de l'os (ou de la dent).

Ces cristaux se développent imprégnés de matière organique, et l'application des techniques de microscopie électronique les détaillent sur les dents sous forme d'agrégats en forme de bâtonnets appelés prismes.

Applications

Usage médical et dentaire

En raison de sa similitude de taille, de cristallographie et de composition avec le tissu humain dur, la nanohydroxyapatite est intéressante pour une utilisation en prothèse. De plus, la nanohydroxyapatite est biocompatible, bioactive et naturelle, en plus d'être non toxique ou inflammatoire.

Par conséquent, la céramique nanohydroxyapatite a une variété d'applications, y compris:

- En chirurgie du tissu osseux, il est utilisé pour combler les cavités en chirurgie orthopédique, traumatologique, maxillo-faciale et dentaire.

- Il est utilisé comme revêtement pour les implants orthopédiques et dentaires. C'est un agent désensibilisant utilisé après le blanchiment des dents. Il est également utilisé comme agent reminéralisant dans les dentifrices et dans le traitement précoce des caries.

- Les implants en acier inoxydable et en titane sont souvent enduits d'hydroxyapatite pour réduire leur taux de rejet.

- C'est une alternative aux greffes osseuses allogéniques et xénogéniques. Le temps de cicatrisation est plus court en présence d'hydroxyapatite qu'en son absence.

- La nanohydroxyapatite synthétique imite l'hydroxyapatite naturellement présente dans la dentine et l'apatite de l'émail, ce qui la rend avantageuse pour une utilisation dans la réparation de l'émail et l'incorporation dans les dentifrices, ainsi que dans les bains de bouche

Autres utilisations de l'hydroxyapatite

- L'hydroxyapatite est utilisée dans les filtres à air des véhicules automobiles pour augmenter leur efficacité à absorber et à décomposer le monoxyde de carbone (CO). Cela réduit la pollution de l'environnement.

- Un complexe alginate-hydroxyapatite a été synthétisé et des tests sur le terrain ont indiqué qu'il est capable d'absorber le fluorure par le biais du mécanisme d'échange d'ions.

- L'hydroxyapatite est utilisée comme milieu chromatographique pour les protéines. Il a des charges positives (Ca ⁺⁺) et des charges négatives (PO ₄ ^-3), ce qui lui permet d'interagir avec des protéines chargées électriquement et de permettre leur séparation par échange d'ions.

- L'hydroxyapatite a également été utilisée comme support pour l'électrophorèse d'acide nucléique. Il est possible de séparer l'ADN de l'ARN, ainsi que l'ADN simple brin de l'ADN à deux brins.

Proprietes physiques et chimiques

L'hydroxyapatite est un solide blanc qui peut prendre des tons grisâtres, jaunes et verdâtres. Comme il s'agit d'un solide cristallin, il a des points de fusion élevés, indicatifs de fortes interactions électrostatiques; pour l'hydroxyapatite, il s'agit de 1100 ° C.

Il est plus dense que l'eau, avec une densité de 3,05 à 3,15 g / cm ³. De plus, il est pratiquement insoluble dans l'eau (0,3 mg / ml), ce qui est dû aux ions phosphate.

Cependant, dans les milieux acides (comme dans HCl), il est soluble. Cette solubilité est due à la formation de CaCl ₂, un sel hautement soluble dans l'eau. De même, les phosphates sont protonés (HPO ₄ ^2– et H ₂ PO ₄ ^-) et interagissent mieux avec l'eau.

La solubilité de l'hydroxyapatite dans les acides est importante dans la physiopathologie des caries. Les bactéries de la cavité buccale sécrètent de l'acide lactique, un produit de la fermentation du glucose, qui abaisse le pH de la surface dentaire à moins de 5, de sorte que l'hydroxyapatite commence à se dissoudre.

Le fluor (F ^-) peut remplacer les ions OH ^- dans la structure cristalline. Lorsque cela se produit, il offre une résistance à l'hydroxyapatite de l'émail dentaire contre les acides.

Eventuellement, cette résistance peut être due à l'insolubilité du CaF ₂ formé, refusant de "quitter" le cristal.

Références

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