Developement of Hydroxyapatite-Metal (Cu, Co, Ni, Mn), and Chitosan-Hydroxyapatite-Carbon (CNT, CNH, GNPs) Hybrids Nanoparticles: From synthesis to Biomedical, Energetic and Environmental Applicati

Abstract

Naturellement, le corps humain a une capacité remarquable à compenser la faiblesse des os dégradés et à les régénérer en cas des petites blessures d’une façon permanente au cours de la vie. Cependant, et en cas d’une faiblesse majeure ou des graves blessures telles que grande dégradation ou une absence d’une partie des os, soit dans la colonne vertébrale, les hanches ou les genou… nécessitent des chirurgies orthopédiques. Et de même pour les dents, le corps humain ne peut pas les régénérer après ses dégradations qui nécessitent des implants dentaires partiels ou totaux. Ces implants osseux ou dentaires sont fabriqués à partir des biomatériaux. Notre objectif dans cette étude, est de développer des biomatériaux de particules hybrides à base d'hydroxyapatite HAP, Chitosane (CS) et des nanomatériaux de carbone tels que les nanoplaquettes de graphène C90 (GNPs_C90), les nanoplaquettes de graphène C97 (GNPs_C97), les nanotubes de carbone multi-parois MWCNT et les nanocornes de carbone à seul paroi SWCNH par méthode de dépôt chimique avec simplification de cette voie de synthèse. Nous avons également developpé une nouvelle methode de synthèse d'HAP par voie sol-gel par utilisation de l'albumine (blanc d'œuf) et on a comparé notre produit obtenu avec ceux synthétisés par quatre méthodes d'élaboration classiques telles que la méthode de coprécipitation chimique, voie solide, solide-liquide pour améliorer l’HAP. Nous avions utilisé un échantillon de référence d’HAP acheté d’auprès Fluka Chemika Company. D’autre part, le CS et la chitine sont principalement extractés de carapaces de crustacés comme les homards, les crabes ou les crevettes. À l'origine, la matière première et les deux composés sont identiques. Nous avions montré les effets de la concentration d'acide sur : l'extraction du CS des coquilles de crevettes entre les acides concentrés et les acides dilués sur : - La morphologie de surface, la résistance thermique, la structure cristalline, la composition chimique élémentaire, les propriétés optiques et optoélectroniques. Nous avions pu réduire le temps de production et augmenter la quantité produite. Nous nous sommes concentrés principalement sur la comparaison entre les propriétés physico-chimiques du CS extracté par l’acides chloridrique dilués (1 M) et concentrés (20%), et nous l’avions comparé avec d'autres acides concentrés comme l'acide nitrique (70%) et l'acide sulfurique (98%) pour choisir le produit de CS adéquat en tailles de particules et en degré de désacétylation à associer à l’HAP et aux nanomatériaux de carbone. L'incorporation d'ions métalliques dans une structure d'HAP de calcium est une voie efficace pour augmenter leurs propriétés physiques, chimiques et biologiques. Pour cette raison, quatre ions de métaux de transition (Mn2+, Co2+, Ni2+, Cu2+) ont été incorporés dans la maille d’HAP par une méthode de voie solide, à force de broyage et de traitement thermique pour éliminer toute impureté et avoir l'homogénéité. Ces HAP dopés présentent une bonne structure matricielle après incorporation d'ions métalliques. Nous avons exploité leurs conductivités thermique et électrique pour les utiliser comme amalgame bio-céramique dans les prothèses dentaires. Suites à cela, nous avions essayé résoudre les dommages aux dents après une dégradation partielle ou totale. Ces produits offrent une bonne opportunité pour l'augmentation des performances des amalgames dentaires ; mécaniques, électriques et thermiques tout en réduisant le risque de toxicité des ces produits, en respectant la norme internationale de la toxicité du cobalt et du nickel pour la santé. Ces amalgames basés sur des composites d’HAPMétal biocéramiques présentent une sensation similaire aux dents naturelles. De plus, ces ions offrent à l'HAP une bonne activité photocatalytique. Cette propriété permet d’appliquer notre HAP dopée dans les domaines photocatalytiques de production et de stockage d'énergie. De plus, on peut l’extrapoler à la remédiation environnementale, pour dégrader et absorber les colorants microscopiques et les ions de métaux lourds des milieux aqueux. Nous avons effectué la caractérisation du produit par divers outils tels que la spectroscopie de diffraction des rayons X (DRX), l'analyse de fluorescence des rayons X, la spectroscopie UV-visible, la transformée de Fourier infrarouge, la spectroscopie Raman, la thermogravimétrie et la thermogravimétrie dérivée (TG/DTG), la microscopie électronique à balayage (MEB), analyse par spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie (EDX). L'étude DRX a montré l'existence d'une phase hexagonale pour tous nos échantillons préparés dans notre laboratoire et d'une phase orthorhombique pour l'échantillon de référence. L'étude par spectroscopie Uv visible a été réalisée pour déterminer et comparer les Gap optiques et le désordre énergétique de chaque échantillon d’HAP. La spectroscopie FT-IR a démontré que tous nos échantillons HAP avaient un mode de vibration similaire des liaisons chimiques (OH- ) et (PO4) 3- . Les poudres d'HAP dopées par des ions métalliques ont été caractérisées par diffraction des rayons X et analyse de spectroscopie infrarouge par la transformée de Fourier pour évaluer leurs changements structurels et de composition. La seule phase présentée dans l'échantillon d'HAP pure était le système hexagonal. L’affinement Rietveld a montré que le dopage avec ces ions affecte le volume de la maille élémentaire d’HAP-M. Nous avons constaté que les échantillons dopés HAP-M (M = Mn2+, Co2+, Ni2+, Cu2+) se stabilisent uniquement dans la phase monoclinique. Les résultats optoélectroniques montrent que l'incorporation des ions métalliques dans l'HAP influence l'énergie de l'entrefer, ce qui affecte une augmentation de la conductivité électrique jusqu'à 130% et de la conductivité thermique jusqu'à 140% dans nos échantillons élaborés. Le résultat de ce travail concerne l'application orthopédique puisque l'HAP est également un constituant majeur de la partie minérale des os. Pour les produits Chitosan, les résultats ont montré que tous les échantillons que nous avons obtenus sont purs : environ 80% de degré de deacetylation, principalement composés de carbone entre (15% - 45%), l'azote (4% - 12%) et oxygène (42% et 81%), avec apparition de pics essentiels pour le CS dans l'analyse Raman: 470 cm-1 → (C-C(=O)-C), 1000 cm-1 → (C-H), 1800 cm-1 → (C=COOR), (C=O), 2630 cm-1 → (CH) anneaux, 3250 cm-1 → ν(NH2). Toutes nos particules de CS sont à l’échelle nanométrique pour 8 et 34 nm. Pour la synthèse de nanocomposites d'hydrures de nanomatériaux Chitosan-HAP-Carbone, les résultats montrent une bonne concordance dans la composition chimique entre les particules mères de HAP avec 35,60% de Calcium (Ca) et 13,90% de Phosphore (P) et les particules hybrides produites CS-HAP-SWCNH, CS-HAPGNPs_C97, CS-HAP-MWCNT et CS-HAP-GNPs_C90 avec des cristallites d'une taille d'environ 50 nm, et une apparition d'une nouvelle liaison de bande C = C étirement et étirement des vibrations du groupe C = O autour 1630 cm-1 et NO2 s'étirent autour de 1320 cm-1 causés par C_H / N_H liés. Ces deux nouvelles bandes prouvent un bon dépôt et une bonne liaison entre HAP, CS, MWCNT, SWCNH, GNPs_C90 et GNPs_C97. Toutes nos nanoparticules hybrides présentent une bonne ostéoconductivité grâce à leur composé d’HAP et leur activité antibactérienne et antimicrobienne grâce au CS, avec des propriétés physiques et chimiques élevées selon le type de carbonés déposés. Nous espérons par cette étude à contribuer au développement des biomatériaux conçus pour la santé, l'énergie et la protection de l'environnement.