Composites hydroxyapatite biogénique/verre-céramique dopés strontium : synthèse, caractérisation structurale et bioactivité améliorée

Contexte

L'hydroxyapatite biogénique (BHA) miroite l'architecture nano- à micro-échelle du minéral osseux naturel et, combinée avec des verres bioactifs, forme des composites supportant la régénération osseuse. Des études antérieures ont exploré diverses substitutions ioniques — Fe²⁺/Fe³⁺, Cu²⁺, Ce²⁺, Si⁴⁺, La³⁺ — pour améliorer le potentiel ostéogénique [1–14]. Le strontium, en particulier, a démontré des actions doubles : stimulation de la prolifération des ostéoblastes tout en inhibant l'activité des ostéoclastes, favorisant ainsi la formation osseuse [15–18]. L'intérêt clinique pour les matériaux contenant du Sr est accru par la prévalence de l'ostéoporose, caractérisée par une densité osseuse diminuée [19–21]. Ce travail vise à développer un composite BHA/verre dopé Sr équilibrant intégrité mécanique et bioactivité pour application clinique potentielle.

Méthodes

Préparation des échantillons

La BHA nanostructurée a été mélangée avec du verre borosodique (46 % SiO₂, 28 % B₂O₃, 26 % Na₂O) en ratio massique 50/50. Le mélange a d'abord été fritté à 1100 °C pour former un précurseur, puis broyé. SrO (1 % massique) a été incorporé, suivi de pelletisation (2,5 g, 11 mm diamètre) et frittage à 780 °C pendant 1 h.

Caractérisation

Analyse de phase : DRX (DRON‑3M, Cu Kα, λ = 1,54178 Å). Spectres IR : FSM 1202, 4000–400 cm⁻¹. Microstructure : MEB (REM‑106I). Porosité : densité apparente et porosité ouverte/fermée mesurées selon ASTM C1701 par saturation à l'éthylène. Solubilité in vitro : 0,9 % NaCl (solide/liquide = 1:30) à 36,5 °C pendant 2, 5, 7 jours ; perte de masse enregistrée avec balance OHAUS Pioneer PA214C (0,0001 g).

Résultats et discussion

Composition de phase

La BHA initiale correspondait au motif JCPDS 72‑1243 avec paramètres de maille a = 9,432 Å, c = 6,881 Å (V ≈ 530 ų). Le composite 50/50 % massique a retenu la phase HA tout en introduisant les phases Na₂Ca₃Si₃O₁₀, Ca₂SiO₄, Na₄SiO₄ et Na₂BO₂, confirmant une solidification hétérogène. L'ajout de SrO n'a pas altéré l'assemblage de phases mais a décalé les pics de diffraction vers des 2θ plus élevés, indiquant une contraction du réseau due à la substitution de Sr²⁺ pour Ca²⁺ (Sr²⁺ a un facteur de diffusion plus grand).

DRX de BHA pur

DRX de composite BHA/verre

DRX de composite BHA/verre-Sr

Microstructure et porosité

Le MEB a révélé une structure de type matrice : le verre formait un cadre continu incorporant les cristaux HA. L'analyse de porosité a montré une porosité totale du composite dopé Sr atteignant ~61 %, près du double du matériau non dopé (~30 %). La porosité ouverte a augmenté de 6 % à 10 %, tandis que la porosité fermée a diminué en conséquence (Figure 6). La haute porosité s'aligne avec l'os cancellé naturel (55–70 %) et devrait améliorer l'infiltration cellulaire et la vascularisation.

Distribution de porosité pour composites BHA/verre et BHA/verre-Sr

Dissolution in vitro

Après 2 jours, le composite dopé Sr a exhibé un taux de dissolution de 0,19 % masse/jour, 2–4× plus élevé que le contrepartie non dopée. La solubilité accrue corrèle avec la porosité ouverte accrue et un réseau HA légèrement contracté, facilitant la libération ionique (Figure 8).

Perte de masse en salin pour BHA/verre vs BHA/verre-Sr (2, 5, 7 jours)

Spectroscopie IR

Les spectres du composite affichaient les bandes caractéristiques HA à ~1040 et ~570 cm⁻¹, avec absorption additionnelle due au réseau de verre. L'ajout de Sr a élargi et décalé les bandes dans la région 700–1050 cm⁻¹, indiquant une perturbation du réseau.

Spectres IR des composites BHA/verre et BHA/verre-Sr

Conclusions

Nous avons fabriqué avec succès des composites BHA/verre borosodique sodique dopés Sr (50/50 % massique, 1 % massique SrO). La DRX a confirmé la persistance de la phase HA avec contraction du réseau lors de l'incorporation de Sr. L'ajout de Sr a markedly augmenté la porosité et la dissolution in vitro, suggérant une ostéoconductivité supérieure. Ces matériaux promettent pour la réparation osseuse clinique, particulièrement dans contextes ostéoporotiques où une résorption accrue et nouvelle formation osseuse sont désirables.