Vers une meilleure description des interfaces entre biominéraux et milieux biologiques par une approche combinée théorique et expérimentale.

par Ivan Petit

Thèse de doctorat en Chimie des Matériaux

Sous la direction de Frederik Tielens et de Christel Gervais.

Soutenue le 04-12-2017

à Paris Sciences et Lettres , dans le cadre de École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris) , en partenariat avec Laboratoire de chimie de la matière condensée de Paris (laboratoire) , Collège de France (établissement opérateur d'inscription) et de Laboratoire de Chimie de la Matière Condensée de Paris (site ENSCP) (laboratoire) .

Le président du jury était Rodolphe Vuilleumier.

Le jury était composé de Frederik Tielens, Christel Gervais, Frank De Proft, Mònica Calatayud i Antonino, Hazar Guesmi.

Les rapporteurs étaient Sylvain Cristol, Melinda J. Duer.


  • Résumé

    On appelle biominéraux l’ensemble des minéraux fabriqués par le vivant. Ce sont des matériaux essentiels, présents dans la quasi-totalitédes espèces vivantes. Néanmoins les caractéristiques structurales, chimiques ainsi que les mécanismes de formation, et l’évolution de cesmatériaux sont encore fortement débattus. Cela s’explique notamment par les difficultés à étudier expérimentalement des espèces chimiquesévoluant en milieux biologiques.Bien que tout aussi complexe, une approche théorique, à l’échelle moléculaire, peut aider à la caractérisation de ces matériaux biologiqueset notamment la caractérisation de leurs interfaces formées avec les milieux biologiques environnants. Cela étant essentiel pour une meilleurecompréhension de la formation et de l’évolution de ces minéraux.Les oxalates de calcium constituent une famille de biominéraux très importante dans le monde du vivant. Ils constituent notamment les principales espèces cristallinesrencontrées dans les calculs rénaux où ils peuvent exister sous trois phases possédant différents degrés d'hydratation. Au cours de cette thèse, nous avons effectuéles simulations des propriétés spectroscopique IR et RMN des ces trois phases, ce qui permet d'obtenir une signature propre à chacune d'entre elle, aidant ainsi àl'identification de ces phases à partir des spectres obtenus expérimentalement.Les phosphates de calcium font aussi partie des biominéraux. Ils composent la majeure partie du minéral osseux des mammifères. Ce minéral se trouvesous la forme de nanoparticules décrites comme possédant un cœur cristallin d’hydroxyapatite substituées entourée d'une couche hydratée et désordonnée en surface.Durant ce travail de thèse, nous nous sommes intéressés à ces deux composantes. Concernant le cœur cristallin des particules, nous avons étudié en particulierle cas des substitutions par des carbonates car il s'agit de la substitution prédominante dans les apatites biologiques. En couplant ce travail à des expériencesde RMN solide nous pouvons proposé une localisation précise de ces substituants au sein de la maille d’hydroxyapatite.La couche désordonnée de surface est encore très mal comprise à l'heure actuelle et de nombreux modèles structuraux sont proposés dans la littérature pour la décrire. Nous avonsconsidéré un certain nombre d'entre eux pour lesquels nous avons modélisé les propriétés RMN, qui confrontées à celle issues de l'expérience nous ontpermis d'identifier les points forts et faibles des différentes hypothèses.

  • Titre traduit

    To a better understanding of the interfaces between biominerals and biological environments using theoretical and experimental approaches.


  • Résumé

    Biominerals are all the minerals produced by living organisms. They are essential materials, present in almost all living species. Nevertheless,the structural, chemical properties and, formation mechanisms and the evolution of these materials are still heavily debated. This is due in particular to thedifficulties of experimentally studying chemical species evolving in biologicalenvironments. Although, equally complex, a theoretical approach at the molecular level can help in the characterization of these biological materialsand in particular the characterization of their interfaces formed with the surrounding biological media. This is essential for a better understandingof the formation and evolution of these minerals.Calcium oxalates are essential biominerals that are very common in the living world. They constitute the main crystalline speciesencountered in kidney stones where they can exist in three phases possessing different degrees of hydration. In this, thesis we carried outsimulations to predict the IR and NMR spectroscopic properties of these three phases. Thsi enabled us to obtain specificsignature of each polyhydrate, and thus makes it possible to obtain a signature specific to each of them, thus helpingthe identification of these phases from the experimentally spectra obtained.Calcium phosphates are part of the bio/biological minerals. They make up the major part of the bone mineral of mammals. This mineral is in the form of nanoparticles havinga crystalline core of hydroxyapatite and a hydrated and disordered surface layer.During this thesis we were interested in these two components. Concerning the crystalline core of the particles, we studied in particularthe case of carbonate substitutions because of its predominant substitution in biological apatites. By combining this work with solid state NMR experimentswe can propose a precise localization of these substituents within the hydroxyapatite crystalline cell.The disordered surface layer is still very poorly understood and many structural models are proposed in the literature to describe it. We haveconsidered a number of them for which we have modeled the NMR properties which were then confronted with experimental results. The comparaisonmade it possible to identify the strengths and weaknesses of the various hypotheses.


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