| | | | | | | webmail : intra-extra| Accès VPN| Accès IST| Contact | Français
Vers l’os artificiel : une démarche de biomimétisme / Characterization of bone mineral surface layer
 
Laboratoire Chimie de la Matière Condensée de Paris, Collège de France, UMR 7574-­‐CNRS, UPMC
Thu, Jun. 18th 2015, 11:00
NIMBE Bat.127, p.26, CEA-Saclay

Vers l’os artificiel : une démarche de biomimétisme

Ce séminaire porte sur l’élaboration de nouveaux composites hybrides à base de collagène comme passerelle vers « l'os artificiel ». La spécificité des travaux exposés réside dans l’étude de processus de minéralisation en milieux biologiques confinés et ordonnés, caractéristiques majeures des tissus biologiques. Il associe des savoirs issus de domaines traditionnellement distincts tels que les cristaux liquides biologiques, la croissance minérale et l’ingénierie tissulaire.

Ce travail s’appuie sur deux points clés l’utilisation des propriétés lyotropiques du collagène pour reproduire in vitro l’organisation de la matrice organique de l’os ainsi que sur la mise en place d’un nouveau procédé de précipitation d’hydroxyapatite carbonatée mimétique de la phase minérale de l’os à partir de précurseurs acides. Leur mise en commun mène à l’élaboration de matrices collagène/apatite reproduisant l’organisation hiérarchique tridimensionnelle de l’os compact (allant du nanomètre jusqu’au millimètre) et ainsi certaines propriétés mécaniques du tissu biologique. Actuellement, les chirurgiens considèrent que le matériau le plus performant pour réparer un défaut osseux reste l’autogreffe (prélèvement d’un greffon chez le patient lui-même) même si la source est limitée et le prélèvement problématique chez les patients.

Dans ce contexte, ces matériaux sont testés comme implants osseux afin de valider leur potentialité en tant que substituts osseux osteoinducteurs, i.e. biomatériaux induisant une reconstruction osseuse, propriété réservée jusqu’à maintenant au tissu biologique lui‐même. Les caractéristiques physico-chimiques contrôlées et proches de celles des matériaux biologiques de ces biomatériaux (avec ou sans minéral) inspirés du vivant, ont assuré leur bonne intégration dans l'organisme hôte. Hormis l’ingénierie tissulaire, ces matériaux sont également utilisés comme modèle de culture cellulaire et comme support d’étude à une meilleure compréhension des mécanismes impliqués dans la formation du tissu osseux in vivo (biominéralisation, morphogénèse). Dans ce cadre, l’activité d’une protéine non-collagènique impliquée dans la biominéralisation osseuse, DMP-1, a été étudiée sous confinement.

 

Références :

Y. Wang, S. Von Euw, et al. Water--mediated structuring of bone apatite, Nat. Mater. 2013, 12 (12), 1144--‐1153.

Y. Wang, The predominant role of collagen in the nucleation, growth, structure and orientation of bone apatite, Nat. Mater. 2012, 11 (8), 724--‐733.

Y. Wang, et al. Controlled collagen assembly to build dense tissue−like materials for tissue engineering. Soft Matter 2011, 7, 9659−9664.

M.M. Giraud--‐Guille, N. Nassif, F.M. Fernandes, Collagen--based materials for tissue repair, from bio-- inspired to biomimetic, in Bio--‐inspired Materials design: Function through Inner Architecture (RSC Smart Materials No. 4)(ed. P. Fratzl, J.W.C. Dunlop, and R. Weinkamer), 107--‐127 (Chap. 5), RSC Publishing, Cambridge, 2013.

 

Characterization of bone mineral surface layer

Bone is a natural hybrid material composed of a collagen matrix closely associated to a mineral phase which is chemically and structurally close to hydroxyapatite Ca10(PO4)6(OH)2. The existence of a distinct mineral domain around the crystalline core of bone apatite platelets is proposed since the late 50’s [1]. In this communication, we clarify the existence of such distinct mineral surface layer through advanced solid state NMR experiments validating the consensual hypothesis in the literature and providing new insights into the structural characteristics of bone mineral. Our results rely on the use of freshly extracted intact bone kept in its native hydration state. Thus, we demonstrate that this layer is highly hydrophilic and that this property is related to the chemical nature of the mineral surface domain which is identified as an amorphous calcium phosphate (ACP) related-phase. The use of {1H-31P}1H “there-and-back” double cross polarization experiment allows the specific selection of protons from bone apatite [2]. The variation of the contact time leads to the observation of 1H-31P dipolar oscillations for which the numerical modeling allows the determination of H•••P distances (2.1-2.3 Å) characteristics of HPO42- ions. Combination of such sequence with 1H-1H EXSY experiment proves the “core-layer” organization of bone mineral. Moreover, selective labeling of biomimetic apatites allows the recording of 1H-13C HetCor and 1H-{43Ca} TRAPDOR experiments. All these data suggest that the disordered surface layer of bone mineral is composed of divalent ions: Ca2+, HPO42-, CO32- [3].

The role of such distinct surface mineral domain in vivo is not still well understood. Nevertheless, we show through CryoTEM observations that water molecules can structure apatite crystals only if such ACP-like layer coats the crystalline core of the mineral particles. We propose that, besides its probable biochemical function, such hydrated ACP-like layer mediates the orientation of bone apatite in vivo [3].

[1] Neuman et al. J. Am. Chem. Soc. 1956.

[2] Y Wang, S. Von Euw et al. Materials Horizons 2014, 1, 224-231.

[3] Y Wang, S. Von Euw et al. Nature Materials 2013, 12, 1144-1153.

Contact : David CARRIERE

 

Séminaire LIONS - Informations pratiques

Entrée sur le site du CEA de Saclay pour les séminaires LIONS

 

Afin de pouvoir entrer sur le site du CEA de Saclay veuillez adresser les données personnelles suivantes par courriel à David Carrière et Michèle COLIN (secrétariat) un avis d’entrée vous sera alors délivré :

Nom :
Prénom :

Date et lieu de naissance :
Nationalité :

Nom de l'employeur :

Ces informations doivent être envoyées au mieux deux jours avant la date du séminaire.

Lors de votre venue vous devez vous présenter avec une carte d'identité ou un passeport en cours de validité. L'entrée sur le site se fait par l'entrée principale ou porte Nord (suivre le lien ci-dessous), un badge vous y sera remis. Demandez à l'accueil le Bât.125 ils vous renseigneront. Les séminaires se déroulent en pièce 157 (1er étage). En cas de problème vous pouvez contacter le secrétariat au 01.69.08.64.81.



 Formalities for entering the CEA Saclay site for LIONS seminars

 

To enter in CEA Saclay you need to send the following personal data to David Carrière and Michèle COLIN (secretariat):


Last Name :
First Name :

Place and date of birth :
Nationality :

Employer Name :


These informations must be preferably sent at least two days before the seminar date.

When you come you must have a valid ID card or passport with you.

The entrance in CEA Saclay is through the main entrance or north entrance (see link below), a pass will be delivered. Ask at the “accueil” the path for the building 125. LIONS seminars take place in room 157 (first floor).

Any questions/troubles do not hesitate to contact our secretariat: 01.69.08.64.81.

 

Informations:  Access
Contact:  David Carrière

#26 - Last update : 10/10/2012

 

Retour en haut