Calcium phosphates are important compounds as they exist in natural aqueous systems such as rivers, lakes, ocean, and soil. These calcium phosphates are widely used to provide information on paleotemperatures as well as many anthropological features, such as paleodiets. One of the most ubiquitous forms of calcium phosphate is hydroxyapatite (Ca10(PO4)6(OH)2) which is a major component of hard tissue such as bones, fossils, and tooth enamel. The oxygen isotope systematics in the hydroxyapatite associated with carbonate-water system will provide further information to allow for the reconstruction of terrestrial and marine environments. For example, Fricke et al. (1998) used oxygen isotope analysis of the carbonate components of hydroxyapatite in tooth enamel of mammals to investigate changes in terrestrial climate. Therefore, the purpose of this research study was to examine the oxygen isotope systematics in inorganic carbonate-bearing hydroxyapatite and water at low temperatures. This Master’s thesis followed and modified the methods described in Lécuyer et al. (2010) in an attempt to synthesize hydroxyapatite crystals and carbonate-bearing hydroxyapatite. The crystals synthesized were characterized in terms of several conditions (i.e., influence of mixing rate and maturations, pH, and concentrations of NaHCO3). Methods to produce hydroxyapatite were developed and analyzed using X-Ray diffraction analysis. The results demonstrated a strong dependence of pH in the hydroxyapatite solutions. Moreover, the effect of concentrations of NaHCO3 was deemed to be essential in order to obtain the desired amount of structural carbonates in the hydroxyapatite crystals. Furthermore, this research evaluated the temperature dependence of oxygen isotopic fractionation between HAP-bound carbonate and water at 10, 25, and 40 oC. Our study is the first to assess the two mixing-rates experiments with different maturations (7 and 14 days) on the oxygen isotope effects and fractionation behaviour between HAP-bound carbonate and water. Both maturation time and the effect of initial concentration of NaHCO3 were found to be the most important in determining the equilibrium conditions in our experiments. / Dissertation / Master of Science (MSc)

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Le babeurre est le co-produit issu du barattage de la crème en beurre. Puisque la consommation de beurre est en constante hausse au Québec et au Canada, d'importantes quantités de babeurre, qui est produit dans les mêmes proportions massiques que le beurre, sont à valoriser. Bien que le babeurre partage une composition similaire à celle du lait écrémé, ses caractéristiques limitent son utilisation sur le plan technologique. En effet, en dehors de son pouvoir émulsifiant, ses propriétés techno-fonctionnelles sont souvent moins bonnes que celles du lait écrémé. Ces différences sont entre autres attribuées aux fragments de la membrane du globule de gras du lait (MGGL) qui sont relargués dans le babeurre lors du barattage de la crème. La MGGL possède toutefois plusieurs composés à hautes valeurs ajoutées, telles que les phospholipides (PL) et des protéines membranaires, possédant des propriétés nutritionnelles et santé. Ainsi, la séparation de la MGGL du babeurre permettrait de produire deux fractions, d'une part, une fraction délipidée pouvant être utilisée comme un lait écrémé, et d'autre part, une fraction lipidique riche en phospholipides de la MGGL utilisable comme composé bioactif. En revanche, la séparation des composants du babeurre demeure un défi important, particulièrement au niveau industriel. Cette étude porte donc sur la mise en place d'une technique de séparation des composants du babeurre en utilisant leur affinité pour un adsorbant, l'hydroxyapatite (HA). Dans le cadre de cette thèse, une première étude a été menée afin de déterminer s'il était possible d'adsorber les fragments de MGGL issus du babeurre de crème pasteurisée et de crème non-pasteurisée sur des HA. Cette étude a ainsi pu prouver que les deux types de MGGL pouvaient interagir avec les HA, avec la MGGL issue de babeurre de crème pasteurisée montrant une plus grande affinité pour les HA que la MGGL de crème crue. De plus, les protéines de la MGGL avaient tendance à s'adsorber à la surface des HA tandis que les PL migrent progressivement à l'interne des HA. Cependant, ils se sont adsorbés dans les mêmes proportions et à la même vitesse, démontrant que les fragments de la MGGL se sont initialement fixés dans leur entièreté. Puis, une agrégation des HA a été observée, permettant de penser que les fragments de MGGL s'adsorbaient en multicouches à la surface des HA. Cette agrégation a formé des espaces inter particulaires dans lesquels des fragments de MGGL supplémentaires ont pu s'intercaler. Cette première partie a donc permis de vérifier que les MGGL, composées de protéines et de PL, peuvent interagir avec les HA et s'y adsorber. De plus, aucune différence de proportion ou de vitesse d'adsorption n'a été constatée entre les PL et les protéines de la MGGL, mais uniquement sur leur localisation d'adsorption au sein des HA. Dans une seconde étude, l'affinité des principales protéines du babeurre, telles que les micelles de caséines (MC), l'α-lactalbumine (α-lac) et la β-lactoglobuline (β-lg) ainsi que de la MGGL a été déterminée individuellement en fonction de changements de paramètre de l'environnement physicochimique (pH, force ionique et température). Il a pu être constaté que la MC possédait la plus grande affinité pour les HA, suivi de l'α-lac et de la β-lg, qui possédaient une affinité semblable pour les HA, et de la MGGL. Ensuite, une étude de l'influence des paramètres physicochimiques sur l'adsorption de chacun de ces composants du babeurre sur la HA a été réalisée. Il a été observé que les changements de pH, de la force ionique et de la température impactaient l'adsorption des MC uniquement. En effet, la MGGL et la β-lg se fixaient totalement, quels que soient les paramètres utilisés, et l'α-lac s'adsorbait à 90% indépendamment des conditions étudiées. La troisième étude visait à valider ces observations obtenues pour chaque composé individuel, mais cette fois-ci en les examinant dans un mélange modèle. Cette fois-ci les modifications des paramètres physicochimiques ont influencé l'adsorption de chaque composé étudié en mélange, entraînant une adsorption prédominante de la MC (90%) et une adsorption minoritaire des protéines du lactosérum (11% de α-lac et 37% de β-lg) et de la MGGL (7%). Il a alors été envisagé de fixer la MC via les HA, permettant ainsi de séparer ultérieurement la MGGL du reste des protéines du babeurre, en exploitant leurs différences de solubilité en fonction du pH. En ajustant les paramètres physicochimiques déterminés sur le mélange modèle, il a été possible de récupérer 90% de la MC présente dans une solution diluée de babeurre par adsorption avec des HA. La MGGL a été ensuite séparée des protéines du lactosérum non-adsorbées aux HA par précipitation sélective. En effet, l'ajustement du pH à environ 4.0, a entraîné la précipitation complète de la MGGL par rapport aux protéines du lactosérum qui sont demeurées majoritairement solubles. Seulement 30% de la β-lg a été co-précipitée avec la MGGL, probablement dû à leur interaction avec la MGGL durant le traitement thermique de pasteurisation de la crème. Ainsi, la majorité de la β-lg (70%) et de l'α-lac (100%), cette dernière étant plus stable thermiquement, ont été récupérée dans la phase soluble. Finalement, cette séquence de procédés (HA et précipitation sélective) a permis d'obtenir trois fractions à partir du babeurre dilué, l'une enrichie en MC, l'autre en MGGL et une dernière en protéines du lactosérum et le reste des composants du babeurre (lactose et minéraux). Cette thèse a apporté de nouvelles connaissances sur l'utilisation des HA pour la séparation des composants protéiques et de la MGGL du babeurre et l'influence de paramètres physicochimiques sur leurs interactions. Les connaissances acquises sur le comportement des protéines du babeurre et de la MGGL avec les particules d'HA combiné à la précipitation sélective de la MGGL ont conduit au développement d'une technique de fractionnement des composants du babeurre, permettant de générer une fraction enrichie en caséines (CN), une autre en protéines du lactosérum, et une fraction de MGGL. Finalement, deux problématiques identifiées dans la littérature ont pu être résolues. La première consistait à parvenir à isoler la MGGL des autres composants du babeurre afin de valoriser ces deux fractions distinctes, à savoir la MGGL et le babeurre délipidé. Le second défi résidait dans la séparation de la MGGL des protéines du lactosérum. Ces nouvelles connaissances permettent d'envisager d'autres applications possibles à partir de la fixation de protéines et PL via les HA pour d'autres fluides laitiers, mais aussi l'utilisation de la précipitation sélective par ajustement du pH pour séparer la MGGL des protéines du lactosérum. / Buttermilk is the co-product obtained from churning cream into butter. As butter consumption continues to rise in Quebec and Canada, significant quantities of buttermilk, produced in the same mass ratios as butter, need to be valorized. Although buttermilk shares a similar composition to skim milk, its technological use is limited due to certain characteristics. Apart from its emulsifying power, its techno-functional properties are often inferior to skim milk. These differences are attributed, among other factors, to the release of milk fat globule membrane (MFGM) fragments into buttermilk during cream churning. However, MFGM contains several high-value compounds, such as phospholipids and membrane proteins, possessing nutritional and health properties. Thus, separating MFGM from buttermilk could yield two fractions: a delipidated fraction usable as skim milk and a lipid-rich fraction containing MFGM phospholipids usable as a bioactive compound. However, separating buttermilk components remains a significant challenge, especially on an industrial scale. This study focuses on implementing a technique for separating buttermilk components using their affinity for an adsorbent, hydroxyapatite (HA). As part of this thesis, an initial study was conducted to determine if it was possible to adsorb MFGM fragments from pasteurized and non-pasteurized cream buttermilk onto HA. This study confirmed that both types of MFGM could interact with HA, with MFGM from pasteurized cream buttermilk showing greater affinity for HA than MFGM from raw cream. Moreover, MFGM proteins tended to adsorb onto the surface of HA, while phospholipids (PL) adsorbed internally. However, they adsorbed in equal proportions and at the same rate, indicating complete adsorption of MFGM fragments initially. Subsequently, aggregation of HA was observed during MFGM adsorption, suggesting that MFGM fragments adsorbed in multilayers on HA surfaces. This aggregation created interparticle spaces where additional MFGM fragments could intercalate. This first part verified that MFGM, composed of proteins and PL, could interact with and adsorb onto HA. Furthermore, no proportion or adsorption rate differences were observed between PL and MFGM proteins, only in their adsorption location within HA. In a second study, the affinities of major buttermilk proteins, such as caseins (CN), α-lac (α-lac), and β-lg (β-lg), and MFGM fragments for HA were individually determined under physicochemical parameters changes (pH, ionic strength, and temperature). It was found that caseins exhibited the highest affinity for HA, followed by α-lac and β-lg, which had similar affinities for HA, and then MFGM. Subsequently, a study on the influence of physicochemical parameters on the adsorption of each buttermilk component onto HA was conducted. Changes in pH, ionic strength, and temperature only affected casein (CN) adsorption. Specifically, MFGM and β-lg adsorbed completely regardless of the parameters, while α-lac adsorbed at 90%, irrespective of the studied conditions. The third study aimed to validate these observations for each component but in a model mixture. This time, changes in physicochemical parameters influenced the adsorption of each component in the mix, resulting in the predominant adsorption of CN (90%) and minor adsorption of whey proteins (11% α-lac and 37% β-lg) and MFGM (7%). It was then proposed to fix the CN via HA, allowing subsequent separation of MFGM from the remaining whey proteins based on their solubility differences at varying pH levels. By adjusting the physicochemical parameters determined in the model mixture, it was possible to recover 90% of the CN in a diluted buttermilk solution through HA adsorption. Subsequently, MFGM was separated from the unadsorbed whey proteins by selective precipitation. Adjusting the pH to approximately 4.0 led to complete MFGM precipitation compared to whey proteins, which remained mostly soluble. Only 30% of β-lg was co-precipitated, attributed to its interaction with MFGM following cream pasteurization. Thus, the majority of β-lg (70%) and α-lac (100%), being more thermally stable, were entirely recovered in the soluble phase. Ultimately, this sequence of processes (HA and selective precipitation) yielded three fractions from diluted buttermilk: one enriched in CN, another in MFGM, and a third in whey proteins and the remaining buttermilk components (lactose and minerals). This thesis project has contributed new insights into the HA-based separation of buttermilk components and the influence of physicochemical parameter changes on their interactions. The knowledge gained regarding the behavior of buttermilk proteins and MFGM with HA particles, combined with selective precipitation of MFGM, has led to the development of a novel and straightforward technique for fractionating buttermilk components, generating fractions enriched in CN, whey proteins, and notably MFGM. This has addressed two identified challenges in the literature: isolating MFGM from other buttermilk components to valorize these distinct fractions (MFGM and delipidated buttermilk), and separating MFGM from whey proteins. These new insights suggest potential applications for fixing proteins and PL via HA for other dairy fluids, as well as using selective precipitation by pH adjustment to separate MFGM from whey proteins.

L'industrie laitière représente le deuxième secteur alimentaire par le volume de sa production au Québec. Son développement s'explique par la croissance des besoins en matières grasses laitières, notamment en produits transformés tels que le fromage. En production fromagère, la concentration du lait par ultrafiltration (UF) entraîne le rejet d'importants volumes de perméat de lait contenant du lactose et des sels; lui conférant un fort impact environnemental. Pour produire 1 kilogramme de fromage, 9 litres de lactosérum sont rejetés. Il contient des protéines, du lactose et des sels. Les protéines sont valorisées sous forme de concentrés par UF; ce qui génère de larges volumes de perméat de lactosérum. Les résidus organiques de la transformation laitière sont de 264 972 tonnes/an au Québec. Le lactose des perméats est valorisé par cristallisation ou bio fermentation, mais la présence de minéraux est limitante. L'induction d'une précipitation phosphocalcique sélective avant la valorisation du lactose permettrait l'extraction de ces éléments sous forme d'hydroxyapatites (HAp), utilisées comme supplément dans les formulations alimentaires et la récupération conjointe de lactose. Pour favoriser la précipitation des HAp, une concentration du perméat par osmose inverse(OI) a été réalisée. D'autres paramètres ont aussi été étudiés : pH, température et ensemencement. Les précipités ont été récupérés par centrifugation, lyophilisés puis chauffés à 550°C pour éliminer la phase organique. Pour suivre l'efficacité de la précipitation, la composition des principaux éléments salins (K, Ca, Na, P, Mg) a été déterminée par spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif et le Ca ionique de la phase soluble a été mesuré avec une électrode. Les phases cristallines obtenues ont été analysées par diffraction des rayons X et par FTIR. La morphologie des particules a été étudiée par microscopie électronique à balayage. Les résultats ont confirmé que le taux de phosphate de calcium précipité a augmenté avec l'ensemencement, la chaleur et l'alcalinisation; surtout dans les perméats concentrés par OI. L'alcalinisation induit le changement de phase vers la forme HAp, démontrant le potentiel de la précipitation sélective du phosphate de calcium et de l'impact positif de l'OI sur son efficacité. Cette étude ouvre la voie à la valorisation des minéraux à partir des perméats de fromagerie, qui a été très peu investiguée comparativement à celle du lactose. / The dairy industry represents the second-largest food sector in Quebec. Its development could be explained by the growth of the dairy fat needs with the demand for processed products, such as butter or cheese, increasing yearly. The concentration of milk proteins by ultrafiltration (UF) leads to the rejection of important volumes of milk permeate (WP), which contains lactose and minerals, responsible for its environmental impact. The production of one kg of cheese rejected 9 liters of whey, representing 1.2 billion tons per year. Whey is rich in proteins, lactose, and mineral components. Whey proteins are generally concentrated by UF and used in various foods for their excellent technological and nutritional properties. This process generates large volumes of whey permeate. The dairy industry is responsible for rejecting a weight of 264 972 tons/years of organic matter in the province of Quebec. Lactose can be valorized by crystallization of bio-fermentation, but salts content could be a limit factor. The induction of selective phosphocalcic precipitation of those elements into hydroxyapatite (HAp) could permit the supplementation of Ca in food formulas and recover lactose simultaneously. To favor HAp precipitation, permeate concentration by reverse osmosis (RO) was tried. Other parameters were studied, including the pH, heating treatments, and DCP seeding. Precipitates were condensed by centrifugation, lyophilized, and then put in a 550°C furnace to remove organic traces. Specific milk salts recovered in the precipitate (K, Ca, Na, P, Mg) was determined by ICP to follow the efficiency of the process. Ionic Ca from the aqueous phase was measured as well with an electrode. Crystalline phases were analyzed by X-ray diffraction and FTIR. The particle's morphology was studied by scanning electron microscopy. Results confirmed that the calcium-phosphate precipitated rate increased with solution's seeding, heating, and alkalinization. Reverse osmosis increased the precipitation. Alkalinization inducts the phase change from simple apatic minerals to complex ones such as HAp. These results demonstrate the potential of selective calcium-phosphate precipitation and RO's positive impact on reaction efficiency. This study opens the path to cheese permeate salt's valorization, low investigated until now.

L'émail dentaire est la couche de tissu externe calcifié recouvrant la couronne de la dent; c’est la structure la plus minéralisée du corps humain. L'émail est synthétisé par l’améloblaste au cours du développement de la dent, mais cette population cellulaire dégénère et régresse totalement lorsque la dent devient fonctionnelle. L'émail mature est donc complètement dépourvu de cellules et de contenu protéique. L’amélogénine, la principale protéine de l’émail a la capacité de s’assembler en structures très organisées de type nanochaînes qui vont guider et réguler les cristaux d’hydroxyapatite de l’émail en formation. Le Leucine Rich Amelogenin Peptide (LRAP) est un produit de l'épissage alternatif du gène de l'amélogénine ; c’est un peptide court (56kDa), composée des séquences actives et N- et C-terminales de la protéine d’amélogénine complète. Dans ce travail, nous avons cherché à comprendre le rôle de LRAP dans l’amélogenèse. Nous avons montré 1) que LRAP présentait les mêmes propriétés d’auto-assemblage que la forme complète d’amélogénine et ses produits de clivage ; 2) que LRAP possédait les même propriétés de régulation des phosphates de calcium que la protéine complète ; et 3) que la conformation de la forme phosphorylée de LRAP était modifiée par une augmentation de la concentration de calcium dans le milieu environnant contrairement à la forme déphosphorylée de LRAP. Dans un second temps, nous avons étudié les propriétés de signalisation du peptide et confirmé nos résultats de minéralisation sur des modèles de culture de cellules de type améloblastique LS8 et ALC in vitro et sur un modèle de culture de germe de première molaire de souris ex vivo. Nous avons montré que la présence des deux formes de LRAP, active la cinétique de différenciation des cellules LS8 et ALC in vitro et favorise la formation de cristaux d’HAP organisés et allongés. Dans les germes en culture, la présence de LRAP(+P) dans un milieu minéralisant permet une augmentation de la densité et du volume de minéral formé alors que dans un milieu standard, il favorise la différenciation des germes. LRAP(-P) entraine en revanche, la synthèse par les améloblastes sécréteurs de longs et fins cristaux d’HAP bien organisés. Ce travail pourrait ouvrir de nouvelles stratégies de régénération des tissus de l'émail afin de traiter des altérations de la couche d'émail résultant de lésions carieuses à l’aide du LRAP(-P) ou de troubles génétiques comme l’amélogenèse imparfaite en utilisant plutôt le LRAP(+P). / Tooth enamel is the outer calcified layer covering the crown of the tooth; it is the most mineralized tissue of the human body. Enamel is synthesized by ameloblast during tooth development, but this cell population degenerates and regresses when the tooth becomes fully functional. The mature enamel is completely devoid of cells and protein content. The amelogenin, the main protein of the enamel has the ability to assemble into highly organized nanochains, which will guide and regulate the deposition of hydroxyapatite crystals during enamel formation. The Leucine Rich Amelogenin Peptide (LRAP) is a product of alternative splicing of the amelogenin gene; it is a short peptide (56kDa), composed of the active N- and C-terminal sequences of the complete amelogenin protein. The aim of this work is to understand is to understand the role of LRAP in enamel formation. We have shown 1) that LRAP presents the same self-assembling properties as the full-length form of amelogenin and its cleavage products; 2) that LRAP exhibits the same calcium phosphate regulating properties as the full-length protein; and 3) that the conformation of the phosphorylated form of LRAP was modified by increasing concentration of calcium in the surrounding medium unlike the dephosphorylated form of LRAP. In the second part of this work, we have studied the peptide signaling properties and confirmed our mineralization results on ameloblast lineage cell culture models (LS8 and ALC) in vitro and on mice first molar germ culture model ex vivo. We have shown that the presence of both forms of LRAP activate the kinetic of differentiation of LS8 and ALC cells in vitro, and results in the formation of organized elongated HAP crystals. In the germ culture experiments, addition of LRAP(+P) in a mineralizing medium induces an increase in the density and volume of the mineral formed whereas in the standard medium, it promotes differentiation of the germs. LRAP(-P) leads to the synthesis by secretory ameloblasts of well organized long and fine HAP crystals. This work may lead the way toward new strategies for enamel tissue regeneration in order to treat alterations in the enamel layer resulting from carious lesions with the LRAP(-P) or genetic disorders such as amelogenesis imperfecta using LRAP(+P).

Dans l'objectif de combler le gap entre l'offre et la demande en propène, la réaction d'oxydation déshydrogénante du propane (ODHP) est une solution alternative à la réaction de déshydrogénation directe. Les hydroxyapatites (HAp) modifiées au vanadium sont des matériaux bi-fonctionnels aux propriétés acido-basiques et redox intéressants pour cette réaction. L'objectif de cette thèse est d'étudier le comportement catalytique de ces systèmes et d'établir des relations entre structure et réactivité. Par le contrôle des conditions de synthèse et pourvu que le pH soit maintenu élevé (~9), la solution solide Ca10(PO4)6-x(VO4)x(OH)2 est obtenue dans toute la gamme de composition (x 0→ 6), alors que pour un pH inférieur, un mélange de phases d'HAps au vanadium et de Ca2V2O7 est obtenu pour x ≥ 4. Pour la solution solide, contrairement à la sélectivité en propène, la conversion en propane n'augmente pas avec la teneur en vanadium non exposé en surface. L'activation de la liaison C-H du propane s'explique par une propriété intrinsèque à la structure HAp, en lien avec la formation thermiquement activée d'anions O2- très basiques. Leur formation in situ résulte de la déshydratation progressive des colonnes d'ions OH- via le processus de conduction ionique par les protons, exalté sous conditions réactionnelles. L'organisation du vanadium sous la forme de tétramères dans Ca2V2O7 au lieu de tétraèdres isolés dans la seule solution solide favorise les échanges redox et explique l'augmentation de la sélectivité. Le contact intime entre les deux phases et la formation d'une interface cohérente permet un optimum de rendement en propène du fait de la synergie des propriétés des deux phases. / In order to fill the gap between propene supply and demand, the oxidative dehydrogenation of propane (ODHP) is an alternative solution to the direct dehydrogenation process. Vanadium-modified hydroxyapatites (HAp) are bifunctional catalysts combining acid-base and redox properties which were shown to be of interest for the ODHP reaction. In order to optimize this system, the aim of the work was to investigate the catalytic behavior of the vanadium-modified hydroxyapatites and to establish structure reactivity relationships. By peculiar attention was devoted to the control of synthesis. Provided high pH value is maintained during the synthesis, the Ca10(PO4)6-x(VO4)x(OH)2 solid solution was successfully obtained for x 0→ 6, whereas at lower pH, a mixture of Vx-HAp solid solution and of Ca2V2O7 was obtained from x ≥ 4. For the solid solution, contrary to propene selectivity, the propane conversion does not depend on the vanadium content, unexposed on the surface. The activation of the C-H bond of propane is controlled by an intrinsic properties of the HAp structure, in relation with the thermally activated formation of strong basic O2- anions. Their in situ formation results from the progressive dehydration of OH- columns via an ionic conduction process by protons that is enhanced under catalytic conditions. Due to the tetrameric environment of vanadium in Ca2V2O7 against isolated tetrahedra in the solid solution, redox exchanges are facilitated, improving the selectivity in propene. The intimate contact between the two phases and the formation of a coherent interface leads to an optimal yield in propene, due to synergistic effects of the two phases.

Dans le but de réduire la morbidité et la durée d’hospitalisation, la médecine régénérative progresse de nos jours vers le développement de techniques chirurgicales moins invasives. Cette recherche en chirurgie mini-invasive a motivé le développement de matrices injectables pour l’ingénierie tissulaire osseuse. Ces matrices doivent aussi être capables de durcir une fois injectées in situ, acquérir la forme souhaitée ainsi que des propriétés mécaniques compatibles avec le tissu hôte qu’elles doivent réparer. De nombreux hydrogels sont déjà employés pour cette application mais aucun ne remplit complètement les propriétés requises. L’objectif de cette thèse est de développer de nouveaux substituts de greffe osseuse : des hydrogels à base de biopolymères associés à des cellules osseuses pour obtenir des greffons mi-synthétiques, mi-biologiques. Des nanoparticules de phosphates de calcium sont ajoutées pour améliorer les propriétés biologiques et mécaniques des hydrogels. L’hydroxyapatite, le phosphate de calcium choisi, est attrayante à cause de ses similitudes chimiques et structurales au constituent minéral de l’os humain. Le but de ce travail est de synthétiser des nanofils d’hydroxyapatite par la méthode template et des nanopoudres d’hydroxyapatite de taille contrôlée par sonoélectrochimie pulsée déphasée. Ensuite pour améliorer les propriétés intrinsèques des structures 3D, ces nanoparticules de phosphates de calcium seront insérées dans des matrices d’hydrogel synthétisées par le laboratoire d’ingénierie ostéo-articulaire et dentaire (LIOAD) de Nantes. Des mesures de coefficient de diffusion seront suivies par des tests de cytotoxicité et de biocompatibilité de ces matériaux. Des études en sous-cutané et après implantation en milieu osseux suivront. / In order to reduce morbidity and hospital stay, regenerative medicine is nowadays moving towards the development of less invasive surgical techniques. This search for a minimally invasive surgery has motivated the development of injectable matrices for bone tissue engineering. These matrices must also be able to harden in situ once injected, acquire the desired shape and mechanical properties compatible with the host tissue it intends to repair. Many hydrogels are already used for this application but none fully meets the required properties. The objective of this thesis is to develop new bone graft substitutes: hydrogels based on biopolymers associated with bone cells to achieve half synthetic and half biological grafts. Nanoparticles of calcium phosphates are added to improve the biological and mechanical properties of hydrogels. Hydroxyapatite, calcium phosphate chosen, has attracted much attention because of its chemical and structural similarity to the mineral constituent of human bone. The aim of this work is to synthesize firstly hydroxyapatite nanowires by the template method and secondly size controlled hydroxyapatite nanopowders by out-of-phase pulsed sonoelectrochemistry. Thirdly to improve the intrinsic properties of these three-dimensional structures, those nanoparticles of calcium phosphates will be added in the matrices of hydrogel synthesized by the LIOAD. Measurements of diffusion coefficient will be followed by testing cytotoxicity and biocompatibility of those materials. A subcutaneous study and bone model study will follow.

Pulsed laser deposition (PLD) was used to deposit hydroxyapatite (HA) thin films on various substrates, including silicon (100) and titanium (Ti-6Al-4V) alloy. Thin films of amorphous HA were deposited at room temperature and then annealed over a range of temperatures. The microstructure and composition of the films were determined using scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive x-ray spectroscopy (EDS), and X-ray diffraction (XRD). The HA films were found to achieve total crystallinity at 350㮠The mechanical properties of the films were studied by means of nanoindentation and scratch adhesion testing. Crystalline and adherent HA thin films prepared using PLD and post deposition annealing have many potential medical and dental applications.

Apatite containing bioceramic materials are considered to be potentially useful for replacement or repair of natural bone. In the present study, the aim was to produce a new composite bioceramic containing crystalline apatite and wollastonite phases with a bimodal grain size distribution. The manufacturing scheme was based on the liquid phase sintering process in which the compacts pressed from powders of apatite (HAP or Si&shy / HAP) and pseudowollastonite was sintered in the presence of a liquid phase. Three distinct fluxing agents, magnesium flux (MCAS), sodium feldspar and sodium frit (NCAS), were prepared to act as additives for generating the liquid phase during sintering. Among those, the use of sodium frit resulted in the expected bimodal microstructural assembly. During the sintering studies, it was discovered that the apatite component of the ceramic was prone to compositional modifications by reaction with the liquid phase. This interaction resulted in a formation of siliconized HAP which crystallized in the form of rod-like grains. Meanwhile wollastonite grains tended to exhibit faceted equiaxed morphology and bonded to rod-like apatite grains with the help of a glassy phase. The results showed significant enhancement in the mechanical properties of apatite-wollastonite composites compared to phase pure hydroxyapatite. For example, the sample with 47.5 wt% Si-HAP2 + 47.5 wt% W + 5 wt% NCASfrit had the highest value of flexural strength, 83.6 MPa, which was almost twice that of hydroxyapatite, 46.3 MPa. The results for other properties such as compressive strength, hardness and fracture toughness also demonstrated the benefit of apatite-wollastonite composite approach.