Brevet FR2678258A1 — publié le 19921231

Procédé de préparation d'hydroxyLapatite natureLLe ou seri-synthétique, ou de phosphate tricaLcique à partir d'apatites natureLLes. La présente invention a pour objet un procédé de préparation d'hydroxylapatite naturelle ou semi-synthetique à partir d'apatites naturelles d'origine biologique ou d'origine géologique, pour être utilisée dans les dépôts, pure ou mélangée à d'autres céramiques comme lloxyde d'alumine, obtenus par projection thermique plasma. On rappelle que l'hydroxylapatite a pour formule : Ca5(P04)3(OH) avec un rapport atomique Ca/P de 1,667. La structure tridimensionnelle de l'hydroxylapatite qui cristallise dans le réseau cristallin hexagonal, est bien connue. Il s'agit donc d'un composé bien identifie. Cependant, la littérature scientifique montre qu'il existe certains problèmes lorsque l'on veut définir les propriétés physicochimiques de l'hydroxylapatite. En effet, ce composé est décrit par exemple comme un solide blanc, vert, bleu, marron ou rose, et ses propriétés optiques, mécaniques et thermiques sont également controversées. Ces différences proviennent généralement du mode de préparation de l'hydroxylapatite comme il est décrit par R.A. Young et D.W. Holcomb dans Calcif Tissue Int. (1982), 34, p. 17-32. Il existe toutefois un concensus qui permet de décrire l'hydroxylapatite synthétique par la formule chimique plus détaillée Ca10-x-y(HPOq),(P04)6-x(OH)2-x-2y Avec cette formule, on peut donc avoir des lacunes en calcium de deux sortes qui s'accompagnent de pertes d'ions hydroxyle et phosphate, et des ions hydrogénophosphates qui compensent partiellement le défaut en ions calcium. Dans les apatites naturelles, le calcium est souvent substitué par du magnésium ou un autre élément bivalent tel qu'un métal alcalinoterreux ; le phosphate peut être également substitué par du carbonate, et l'ion hydroxyle peut être lui aussi substitué par des halogènes comme dans le cas de la fluoroapatite. Les phosphates de calcium naturels à structure apatitique sont donc nombreux, mais il y en a peu qui correspondent à la formule Ca5(P04)3(OH) de l'hydroxylapatite où le rapport atomique Ca/P est de 1,667. De même, comme il est décrit par R.A. Young et D.W. Holcomb dans Calcif Tissue Int. (1982), 34, p. 17-32, les procédés connus de synthèse de lthydroxylapatite ne conduisent pas à l'hydroxylapatite ayant la formule chimique précitée. En effet, le procédé qui consiste à faire réagir à l'état solide des composants qui, à l'état fondu, donneront l'hydroxylapatite, conduit généralement à un minéral tel que L'apatite wollastonite. Les procédés utilisant la réaction d'un précurseur de l'hydroxylapatite tel que le carbonate de calcium, avec de L'acide phosphorique, à haute température et sous pression, conduisent à une hydroxylapatite poreuse. Les procédés par voie humide tels que ceux décrits par Honda et al dans Journal of Materials Science : Materials in Medicine, 1, 1990, p. 114-117, et par Jarcho et al dans Journal of Materials Science II, 1976, p. 2027-2035, qui consistent à faire réagir en phase aqueuse un sel soluble de calcium comme l'acétate ou le nitrate de calcium, sur un sel soluble de l'acide phosphorique tel que le phosphate d'ammonium, conduisent à des précipités de phosphate de calcium dont la composition varie selon les concentrations des réactifs, le pH, la température, l'ordre d'introduction des réactifs et la vitesse de mélange de ceux-ci. Ainsi, les procédés connus de synthèse d'hydroxylapatite conduisent à des produits dont les propriétés telles que la densité, la répartition porosimétrique, la surface spécifique et la distribution granulométrique, peuvent varier en fonction des conditions et des traitements utilisés. Or, pour de nombreuses applications de L'hydroxylapatite, par exemple comme support de cultures cellulaires in vitro ou in vivo, comme phase stationnaire en chromatographie analytique, préparative ou de prépurification de polymères biologiques tels que l'ADN, les protéines et les immunoglobulines, et comme constituant de matériaux de comblement osseux, il est important que l'hydroxylapatite présente une composition et des propriétés contrôlées qu'il est difficile d'obtenir par les procédés décrits ci-dessus. La présente invention a précisément pour objet un procédé de traitement par voie humide d'apatites naturelles qui permet d'obtenir à partir de celles-ci, un produit constitué par de l'hydroxylapatite naturelle purifiée, par de l'hydroxylapatite semi-synthétique ou par du phosphate tricalcique, présentant les propriétés voulues. Selon l'invention, ce procédé consiste - à mettre en contact une poudre d'apatite naturelle avec un acide pour dissoudre une partie du calcium de la poudre et recueillir une poudre constituée principalement de phosphate bicalcique, et - à traiter la poudre de phosphate bicalcique ainsi obtenue pour obtenir à partir de celleci, soit de l'hydroxylapatite naturelle purifiée, soit de l'hydroxylapatite semi-synthétique, soit du phosphate tricalcique. Les apatites naturelles utilisées dans le procédé de l'invention peuvent être d'origine biologique ou d'origine minérale, c'est-å-dire d'origine géologique. Les apatites naturelles d'origine biologique sont en particulier les constituants inorganiques des tissus durs des organismes vivants tels que les os, tes dents etc. Ainsi, la phase minérale du tissu calcifié des mammifères est constituée de phosphate de calcium microcristallin de formule simplifiée : (Ca, M)10-x-y (HPO4,C03)X (P04)6-x (OH)2-x-Zy Il s'agit donc d'une apatite impure dans laquelle M est un métal, en particulier le magnésium. L'hydroxylapatite d'origine géologique se rencontre dans certains minerais. Elle correspond par exemple à la formule Ca10 (PO4)6 (OH)2x (F)x Dans le procédé de l'invention, on utilise de préférence une apatite naturelle d'origine biologique, par exemple de la poudre d'os, car on obtient à partir de cette poudre de l'hydroxylapatite naturelle purifiée ou synthétique, ayant des propriétés voisines de celles des tissus osseux d'origine alors qu'il est difficile de reconstituer par synthèse ce que la nature fait dans l'os par un mécanisme plus lent et dans un contexte biologique. La poudre d'os est obtenue par broyage. Dans la première étape du procédé de l'invention, le traitement de la poudre d'apatite naturelle par un acide permet de fragmenter la structure de la poudre, en libérant les ions carbonate et halogénures éventuellement présents et en dissolvant une partie du calcium de l'apatite naturelle. De la sorte, on élimine les substituants éventuels des ions phosphate et hydroxyle, responsables des défauts de composition par rapport à la formule : CaS(P04)3 (OH) A ta suite de cette étape, on obtient une poudre constituée principalement de phosphate bicalcique de formule CaHP04, qui a une teneur en calcium de 23 à 24% et une teneur en phosphate de 55 à 56%. L'acide utilisé est un acide fort. De préférence, on utilise l'acide chlorhydrique. La deuxième étape de traitement du procédé de l'invention peut être réalisée de différentes façons selon que l'on veut obtenir à partir de la poudre de phosphate bicalcique, de l'hydroxylapatite naturelle, de l'hydroxylapatite semi-synthétique ou du phosphate tricalcique. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, on réalise cette étape de façon à obtenir de l'hydroxylapatite naturelle purifiée. Dans ce cas, cette seconde étape consiste à traiter la poudre de phosphate bicalcique par une base pour transformer cette poudre en poudre d'hydroxylapatite naturelle. Ce traitement basique permet d'enlever les phosphates protonés et les apatites lacunaires. Pour effectuer ce traitement basique, on utilise de préférence une base forte, par exemple de la soude, afin de neutraliser le sel acide de calcium P04HNa par cette base, selon le schéma réactionnel 5CaHP04 + 6NaOH > 2Na3P04 + Cas(P04)30H + 5H20 Généralement, on réalise cette réaction, soit en mettant plusieurs fois successivement en suspension le phosphate tricalcique dans de la lessive de soude, soit en mettant en contact le phosphate bicalcique avec de la soude en excès portée à l'ébullition. On obtient ainsi de l'hydroxylapatite stoechiométrique correspondant à la formule Cag(P04)3(OH) avec un rapport atomique Ca/P de 1,667. Cette hydroxylapatite peut être dénommée hydroxylapatite naturelle purifiée car elle ne contient plus que la partie de l'apatite initiale qui correspond à la formule exacte de l'hydroxylapatite stoechiométrique. Toutefois, on conserve par ce procédé les oligoéléments essentiels tels que le magnésium jouant le rôle de substituant du calcium, présents dans la poudre de départ et ceux-ci sont intégrés dans la maille cristalline. En revanche, les défauts de structure (lacunes) et de composition (présence de carbonates, hydrogénophosphates, chlorures) sont éliminés. L'hydroxylapatite purifiée obtenue reflète donc la composition de l'apatite de départ, par exemple de l'os utilisé. Après avoir obtenu l'hydroxylapatite naturelLe, on réalise une étape complémentaire de purification de celle-ci par lavage au moyen d'un acide faible tel que l'acide acétique, ou au moyen d'eau pure jusqu'à l'obtention d'un pH neutre. Ce lavage a pour but d'éliminer les composés solubles, par exemple le phosphate de sodium et la chaux, qui pourraient éventuellement être inclus dans l'hydroxylapatite obtenue. Sur le plan industriel, le procédé de l'invention possède de nombreux avantages par rapport aux procédés connus. En effet, sa mise en oeuvre est simple puisqu'elle nécessite seulement deux étapes de traitement au moyen de réactifs peu coûteux, qui sont disponibles par ailleurs avec des degrés de pureté élevée, en particulier dans le cas de la soude qui peut être obtenue par le procédé au diaphragme. Ainsi, avec des réactifs purs, on ne risque pas d'augmenter de façon notable la quantité d'ions nuisibles, en particulier de métaux lourds, présents dans l'apatite d'origine. Avec ce procédé, on peut par ailleurs travailler sur des poudres de granulométrie choisie qui donnent une hydroxylapatite naturelle purifiée aux propriétés filtrantes nettement supérieures à celles des hydroxylapatites de synthèse. Cette granulométrie de départ est intéressante et avantageuse par rapport à celle que l'on peut obtenir à partir d'hydroxylapatite de synthèse. En effet, dans le cas de l'hydroxylapatite de synthèse, les réactions en phase liquide, par exemple entre un sel soluble de calcium et du phosphate d'ammonium, conduisent à la formation de phases colloidales difficiles à purifier et à filtrer ; aussi, on réalise généralement une calcination pour éliminer, avec dislocation des grains, les résidus de nitrate d'ammonium provenant des réactifs de départ, ce qui ne permet pas de contrôler la granulométrie de la poudre d'hydroxylapatite obtenue. Selon un second mode de réalisation du procédé de l'invention, on prépare de l'hydroxylapatite semi-synthétique à partir de la poudre de phosphate bicalcique. Dans ce cas, on réalise de la même façon que précédemment la première étape qui consiste à mettre en contact avec un acide une poudre d'apati- te naturelle pour dissoudre une partie du calcium de la poudre et obtenir une poudre constituée principalement de phosphate bicalcique, puis on transforme cette poudre en hydroxylapatite semi-synthétique en réalisant ensuite les étapes suivantes qui consistent - à dissoudre la poudre de phosphate bicalcique obtenue dans la première étape dans de l'acide phosphorique, et - faire réagir la solution ainsi obtenue à un pH de 10 à 14 avec un composé de calcium pour former un précipité d'hydroxylapatite semi-synthétique. Généralement, dans la dernière étape, on ajuste le pH à la valeur voulue par addition d'ammoniaque. Dans ce cas, l'hydroxylapatite formée contient toujours du phosphate et du calcium présents dans l'apatite de départ mais elle comprend de plus du phosphate et du calcium provenant des réactifs utilisés. Les composés de calcium utilisés comme réactif peuvent être en particulier le nitrate de calcium, l'hydroxyde de calcium, le carbonate de calcium ou l'acétate de calcium. Selon une variante de ce second mode de réalisation du procédé de l'invention, on peut préparer une hydroxylapatite semi-synthétique en traitant la poudre constituée principalement de phosphate bicalcique, obtenue dans la première étape, avec de la soude à chaud pour obtenir du phosphate de sodium dodéca hydraté, et en faisant réagir ce phosphate de sodium dodéca hydraté dissous dans de l'eau, à un pH de 10 à 14, avec un composé de calcium pour précipiter de l'hydroxylapatite semi-synthétique. Dans ce second mode de réalisation, on peut également ajuster le pH dans la dernière étape au moyen d'ammoniaque et utiliser les composés de calcium mentionnés ci-dessus. Selon un troisième mode de réalisation du procédé de l'invention, on transforme le précipité de phosphate bicalcique obtenu dans la première étape en le faisant réagir avec une quantité stoechimétrique de chaux pendant 10 heures à 10000C pour obtenir, à l'état solide, du phosphate tri calcique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront mieux à la lecture des exemples suivants donnés bien entendu à titre illustratif et non limitatif, en référence à la figure annexée. Cette figure représente de façon schématique les différents modes de réalisation du procédé de l'invention à partir de poudre d'os. Exemple 1 : PréParation d'hydroxylapatite (HAP) naturelle purifiée. Dans cet exemple, on part d'une poudre d'os ayant une granulométrie moyenne de 100ym obtenue par broyage d'os déshydratés dont on a éliminé les constituants organiques, et on soumet cette poudre à une attaque par de l'acide chlorhydrique. Dans ce but, on met en contact 500 g de poudre d'os avec 1 I d'acide chlorhydrique 1 N et on laisse réagir pendant 12 h. On sépare alors le phosphate bicalcique Ca(HP04), dénommé "précipité d'os", de la solution par filtration. On soumet ensuite ce précipité d'os à un traitement par de la soude, en mettant en contact 1kg du précipité d'os avec 1 I de NaOH 8 N porté à l'ébullition, et on laisse la réaction se poursuivre pendant 2 h. On sépare alors la phase solide de la phase liquide et on purifie la phase solide par traitement au moyen d'acide acétique dilué. On obtient ainsi 6009 d'hydroxylapatite naturelle purifiée, dans laquelle le rapport Ca/P est égal à 1,667. Dans cette hydroxylapatite 100X du phosphate et 100% du calcium sont d'origine naturelle. ExempLe 2 : Préparation d'hydroxylapatite (HAP) semi -synthétique. Dans cet exemple, on réalise comme dans l'exemple 1, l'étape de traitement de la poudre d'os par l'acide chlorhydrique pour obtenir le précipité d'os constitué de Ca(HP04). On dissout ensuite 250g de ce précipité dans 21 d'eau contenant 200ml d'acide phosphorique à 75%. Après 24 h de réaction, on filtre la solution pour éliminer les produits insolubles. A 500ml de la solution filtrée, on ajoute 1,5l d'eau et d'ammoniaque concentrée et on obtient ainsi une suspension blanche. On y ajoute en mélangeant vigoureusement 21 d'une solution aqueuse contenant 5009 de nitrate de calcium. Ensuite, on filtre la solution et on obtient ainsi de l'hydroxylapatite semi-synthétique que l'on soumet à un séchage. Dans cette hydroxylapatite, le phosphate et le calcium sont seulement en partie d'origine naturelle. ExeipLe 3 : Préparation d'hydroxylapatite (HAP) semi-synthétique. Dans cet exemple, on suit le même mode opératoire que dans l'exemple 1 pour préparer un précipité d'os Ca(HP04) à partir de la même poudre d'os, puis on met 8609 du précipité d'os en suspension dans Il d'eau. On y ajoute 300g de perles de soude et on mélange vigoureusement pendant 1h, puis on chauffe à 800C et on filtre la solution encore chaude rapidement pour éliminer les résidus insolubles. Après refroidissement de la solution, on sépare de celle-ci des cristaux en forme d'aiguilles incolores de phosphate de sodium dodécahydraté, de formule Na3P04, 12H20. On dissout 11409 de cristaux de Na3P04, 12H20 dans 41 d'eau dont on a ajusté le pH à 12 par addition d'ammoniaque. On ajoute ensuite 21 d'une solution aqueuse contenant 11809 de nitrate de calcium. Ensuite, on filtre ensuite la solution pour récupérer l'hydroxylapatite semi-synthétique, et on la soumet à un séchage. Dans cette hydroxylapatite, 100% du phosphate est d'origine naturelle mais seulement une partie du calcium estd'origine naturelle. ExempLe 4 : Préparation de phosphate tricalcique. Dans cet exemple, on suit le même mode opératoire que dans l'exemple 1 pour préparer à partir de la poudre d'os un précipité d'os constitué principalement du phosphate dicalcique Ca(HP04). On fait réagir ensuite 270 g de ce précipité d'os avec 50 g de chaux pour former directement du phosphate tricalcique par calcination des poudres. On obtient ainsi 340 g de phosphate tricalcique. REVENDICATIONS 1. Procédé de préparation d'un phosphate de calcium choisi parmi I'hydroxylapatite et le phosphate tricalcique, à partir d'apatite naturelle, caractérisé en ce qu'iL consiste : 10) à mettre en contact une poudre d'apatite naturelle avec un acide pour dissoudre une partie du calcium de la poudre et obtenir une poudre constituée principalement de phosphate bicalcique, et 20) traiter la poudre de phosphate bicalcique ainsi obtenue pour la transformer en phosphate de calcium." 2. Procéda de préparation d'hydroxylapatite naturelle selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes 10) mettre en contact une poudre d'apatite naturelle avec un acide, pour dissoudre une partie du calcium de la poudre et obtenir ainsi une poudre constituée principalement de phosphate bicalcique, et 20) traiter la poudre de phosphate bicalci que e ainsi obtenue par une base pour transformer cette poudre en poudre d'hydroxylapatite naturelle. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérise en ce qu'il comprend de plus une étape de purification de la poudre d'hydroxylapatite naturelle ainsi obtenue par lavage au moyen d'eau ou d'un acide faible. 4. Procédé selon La revendication 2, caracterise en ce que la base utilisée dans la deuxième étape, est la soude. 5. Procédé selon la revendication 3, caractérise en ce que l'acide utilise pour le lavage est l'acide acétique. 6. Procéda de preparation d'hydroxylapatite semi-synthétique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes 10) mettre en contact une poudre d'apatite naturelle avec un acide, pour dissoudre une partie du calcium de la poudre et obtenir une poudre consti tuee principalement de phosphate bicalcique, 20) dissoudre la poudre de phosphate tricalcique ainsi obtenue dans de l'acide phosphorique, et 30) faire réagir la solution ainsi obtenue à un pH de 10 à 14 avec un composé de calcium pour former un précipite d'hydroxylapatite semi-synthetique. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que dans la troisième étape, on ajuste le pH à la valeur voulue par addition d'ammoniaque. 8. Procède de préparation d'une hydroxylapatite semi-synthéique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : 10) mettre en contact une poudre d'apatite naturelle avec. un acide pour dissoudre une partie du calcium de cette poudre et obtenir une poudre constituée principalement de phosphate bicalcique, 20) traiter la poudre de phosphate bicalcique avec de la soude à chaud pour obtenir du phosphate de sodium dodeca hydraté, et 30) faire réagir ce phosphate de sodium dissous dans de L'eau, à un pH de 10 à 14, avec un composé de calcium pour précipiter de l'hydroxylapatite semi-synthétique. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 et 8, caractérisé en ce que le composé de calcium est choisi parmi le nitrate de calcium, l'hydroxyde de calcium, le carbonate de calcium ou l'acétate de calcium. 10. Procédé de préparation de phosphate tricalcique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes 10) mettre en contact de la poudre d'apatite naturelle avec un acide pour dissoudre une partie du calcium de la poudre et obtenir une poudre constitube principalement de phosphate bicalcique, et 20) faire réagir la poudre de phosphate bicalcique avec de la chaux pour former du phosphate tricalcique par calcination