Synthesis and characterization of implants for bone substitutions made of biomedical apatites containing silicon

In the last decades the development of bone substitutes characterized by a superior biomimetism has become of particular interest, owing to the increasing economic and societal impact of the bone diseases. In the present work of research the development of bone substitutes characterized by improved biomimetism, has been faced in a chemical, structural and morphological perspective. From a chemical point of view, it has been developed the synthesis of hydroxyapatite powders, exhibiting multiple ionic substitutions in both cationic and anionic sites, so to simulate the chemical composition of the natural bone. Particular emphasis has been given to the effect of silicon on the chemical-physical and solubility properties of the obtained hydroxyapatites. From a structural point of view, it has been developed the synthesis of ceramic composite materials, based on hydroxyapatite and calcium silicates, employed both as a reinforcing phase, to raise the mechanical strength of the composite compared to hydroxyapatite, and as a bioactive phase, able to increase the bioactivity properties of the whole ceramic. Finally the unique morphological features of the bone were mimicked by taking inspiration by Nature, so that native wood structures were treated in chemical and thermal way to obtain hydroxyapatite porous materials characterized by the same morphology as the native wood. The results obtained in the present work were positive in all the three different areas of investigation, so to cover the three different aspects of biomimetism, chemical, structural and morphological. Anyway, only at the convergence of the three different fields it is possible to find out the best solutions to develop the ideal bone-like scaffold. Thus, the future activity should be devoted to solve the problems at the borderline between the different research lines, which hamper this convergence and in consequence, the achievement of a bone scaffold able to mimic the various aspects exhibited by the bone tissue

Age and chemical composition of apatites from five DSDP and ODP Sites in the Pacific, Atlantic and Indian Oceans

Since studies on deep-sea cores were carried out in the early 1990s it has been known that ambient temperature may have a marked affect on apatite fission track annealing. Due to sluggish annealing kinetics, this effect cannot be quantified by laboratory annealing experiments. The unknown amount of low-temperature annealing remains one of the main uncertainties for extracting thermal histories from fission track data, particularly for samples which experienced slow cooling in shallow crustal levels. To further elucidate these uncertainties, we studied volcanogenic sediments from five deep-sea drill cores, that were exposed to maximum temperatures between ~10° and 70°C over geological time scales of ~15-120 Ma. Mean track lengths (MTL) and etch pit diameters (Dpar) of all samples were measured, and the chemical composition of each grain analyzed for age and track length measurements was determined by electron microprobe analysis. Thermal histories of the sampled sites were independently reconstructed, based on vitrinite reflectance measurements and/or 1D numerical modelling. These reconstructions were used to test the most widely used annealing models for their ability to predict low-temperature annealing. Our results show that long-term exposure to temperatures below the temperature range of the nominal apatite fission track partial annealing zone results in track shortening ranging between 4 and 11%. Both chlorine content and Dpar values explain the downhole annealing patterns equally well. Low chlorine apatite from one drill core revealed a systematic relation between Si-content and Dpar value. The question whether Si-substitution in apatite has direct and systematic effects on annealing properties however, cannot be addressed by our data. For samples, which remained at temperatures <30°C, and which are low in chlorine, the Laslett et al. [Laslett G., Green P., Duddy I. and Gleadow A. (1987) Thermal annealing of fission tracks in apatite. Chem. Geol. 65, 1-13] annealing model predicts MTL up to 0.6 µm longer than those actually measured, whereas for apatites with intermediate to high chlorine content, which experienced temperatures >30°C, the predictions of the Laslett et al. (1987) model agree with the measured MTL data within error levels. With few exceptions, predictions by the Ketcham et al. [Ketcham R., Donelick R. and Carlson W. (1999) Variability of apatite fission-track annealing kinetics. III: Extrapolation to geological time scales. Am. Mineral. 84/9, 1235-1255] annealing model are consistent with the measured data for samples which remained at temperatures below ~30°C. For samples which experienced maximum temperatures between ~30 and 70°C, and which are rich in chlorine, the Ketcham et al. (1999) model overestimates track annealing.

Composition and crystal parameters of carbonate-apatites from animal teeth and bones and from phosphate rocks of the ocean bottom

Samples of recent to Miocene fish and marine mammal bones from the bottom of the Atlantic and Pacific Oceans and Miocene Maikop deposits (Transcaspian region) are studied by X-ray diffraction technique combined with chemical and energy-dispersive analyses. Changes of lattice parameters and chemical composition of bioapatite during fossilization and diagenesis suggest that development of skeletal apatite proceeds from dahllite-type hydroxyapatite to francolite-type carbonate-fluorapatite. It is assumed that jump-type transition from dahllite to francolite during initial fossilization reflects replacement of biogeochemical reactions in living organisms, which are subject to nonlinear laws of nonequilibrium thermodynamics, by physicochemical processes according to the linear equilibrium thermodynamics.

Physicochemical characterization of two deproteinized bovine xenografts

Calcium phosphate salts, or more specifically hydroxyapatite, are products of great interest in the fields of medical and dental science due to their biocompatibility and osteoconduction property. Deproteinized xenografts are primarily constituted of natural apatites, sintered or not. Variations in the industrial process may affect physicochemical properties and, therefore, the biological outcome. The purpose of this work was to characterize the physical and chemical properties of deproteinized xenogenic biomaterials, Bio-Oss (Geistlich Biomaterials, Wolhuser, Switzerland) and Gen-Ox (Baumer S.A., Brazil), widely used as bone grafts. Scanning electron microscopy, infrared region spectroscopy, X-ray diffraction, thermogravimetry and degradation analysis were conducted. The results show that both materials presented porous granules, composed of crystalline hydroxyapatite without apparent presence of other phases. Bio-Oss presented greater dissolution in Tris-HCl than Gen-Ox in the degradation test, possibly due to the low crystallinity and the presence of organic residues. In conclusion, both commercial materials are hydroxyapatite compounds, Bio-Oss being less crystalline than Gen-Ox and, therefore, more prone to degradation.

Application of low temperature thermochronology to understanding cooling and exhumation in the Central Swiss Alps

THESIS ABSTRACT : Low-temperature thermochronology relies on application of radioisotopic systems whose closure temperatures are below temperatures at which the dated phases are formed. In that sense, the results are interpreted as "cooling ages" in contrast to "formation ages". Owing to the low closure-temperatures, it is possible to reconstruct exhumation and cooling paths of rocks during their residence at shallow levels of the crust, i.e. within first ~10 km of depth. Processes occurring at these shallow depths such as final exhumation, faulting and relief formation are fundamental for evolution of the mountain belts. This thesis aims at reconstructing the tectono-thermal history of the Aar massif in the Central Swiss Alps by means of zircon (U-Th)/He, apatite (U-Th)/He and apatite fission track thermochronology. The strategy involved acquisition of a large number of samples from a wide range of elevations in the deeply incised Lötschen valley and a nearby NEAT tunnel. This unique location allowed to precisely constrain timing, amount and mechanisms of exhumation of the main orographic feature of the Central Alps, evaluate the role of topography on the thermochronological record and test the impact of hydrothermal activity. Samples were collected from altitudes ranging between 650 and 3930 m and were grouped into five vertical profiles on the surface and one horizontal in the tunnel. Where possible, all three radiometric systems were applied to each sample. Zircon (U-Th)/He ages range from 5.1 to 9.4 Ma and are generally positively correlated with altitude. Age-elevation plots reveal a distinct break in slope, which translates into exhumation rate increasing from ~0.4 to ~3 km/Ma at 6 Ma. This acceleration is independently confirmed by increased cooling rates on the order of 100°C/Ma constrained on the basis of age differences between the zircon (U-Th)/He and the remaining systems. Apatite fission track data also plot on a steep age-elevation curve indicating rapid exhumation until the end of the Miocene. The 6 Ma event is interpreted as reflecting tectonically driven uplift of the Aar massif. The late Miocene timing implies that the increase of precipitation in the Pliocene did not trigger rapid exhumation in the Aar massif. The Messinian salinity crisis in the Mediterranean could not directly intensify erosion of the Aar but associated erosional output from the entire Alps may have tapered the orogenic wedge and caused reactivation of thrusting in the Aar massif. The high exhumation rates in the Messinian were followed by a decrease to ~1.3 km/Ma as evidenced by ~8 km of exhumation during last 6 Ma. The slowing of exhumation is also apparent from apatite (U-Th)1He age-elevation data in the northern part of the Lötschen valley where they plot on a ~0.5km/Ma line and range from 2.4 to 6.4 Ma However, from the apatite (U-Th)/He and fission track data from the NEAT tunnel, there is an indication of a perturbation of the record. The apatite ages are youngest under the axis of the valley, in contrast to an expected pattern where they would be youngest in the deepest sections of the tunnel due to heat advection into ridges. The valley however, developed in relatively soft schists while the ridges are built of solid granitoids. In line with hydrological observations from the tunnel, we suggest that the relatively permeable rocks under the valley floor, served as conduits of geothermal fluids that caused reheating leading to partial Helium loss and fission track annealing in apatites. In consequence, apatite ages from the lowermost samples are too young and the calculated exhumation rates may underestimate true values. This study demonstrated that high-density sampling is indispensable to provide meaningful thermochronological data in the Alpine setting. The multi-system approach allows verifying plausibility of the data and highlighting sources of perturbation. RÉSUMÉ DE THÈSE : La thermochronologie de basse température dépend de l'utilisation de systèmes radiométriques dont la température de fermeture est nettement inférieure à la température de cristallisation du minéral. Les résultats obtenus sont par conséquent interprétés comme des âges de refroidissement qui diffèrent des âges de formation obtenus par le biais d'autres systèmes de datation. Grâce aux températures de refroidissement basses, il est aisé de reconstruire les chemins de refroidissement et d'exhumation des roches lors de leur résidence dans la croute superficielle (jusqu'à 10 km). Les processus qui entrent en jeu à ces faibles profondeurs tels que l'exhumation finale, la fracturation et le faillage ainsi que la formation du relief sont fondamentaux dans l'évolution des chaînes de montagne. Ces dernières années, il est devenu clair que l'enregistrement thermochronologique dans les orogènes peut être influencé par le relief et réinitialisé par l'advection de la chaleur liée à la circulation de fluides géothermaux après le refroidissement initial. L'objectif de cette thèse est de reconstruire l'histoire tectono-thermique du massif de l'Aar dans les Alpes suisses Centrales à l'aide de trois thermochronomètres; (U-Th)/He sur zircon, (U-Th)/He sur apatite et les traces de fission sur apatite. Afin d'atteindre cet objectif, nous avons récolté un grand nombre d'échantillons provenant de différentes altitudes dans la vallée fortement incisée de Lötschental ainsi que du tunnel de NEAT. Cette stratégie d'échantillonnage nous a permis de contraindre de manière précise la chronologie, les quantités et les mécanismes d'exhumation de cette zone des Alpes Centrales, d'évaluer le rôle de la topographie sur l'enregistrement thermochronologique et de tester l'impact de l'hydrothermalisme sur les géochronomètres. Les échantillons ont été prélevés à des altitudes comprises entre 650 et 3930m selon 5 profils verticaux en surface et un dans le tunnel. Quand cela à été possible, les trois systèmes radiométriques ont été appliqués aux échantillons. Les âges (U-Th)\He obtenus sur zircons sont compris entre 5.l et 9.4 Ma et sont corrélés de manière positive avec l'altitude. Les graphiques représentant l'âge et l'élévation montrent une nette rupture de la pente qui traduisent un accroissement de la vitesse d'exhumation de 0.4 à 3 km\Ma il y a 6 Ma. Cette accélération de l'exhumation est confirmée par les vitesses de refroidissement de l'ordre de 100°C\Ma obtenus à partir des différents âges sur zircons et à partir des autres systèmes géochronologiques. Les données obtenues par traces de fission sur apatite nous indiquent également une exhumation rapide jusqu'à la fin du Miocène. Nous interprétons cet évènement à 6 Ma comme étant lié à l'uplift tectonique du massif de l'Aar. Le fait que cet évènement soit tardi-miocène implique qu'une augmentation des précipitations au Pliocène n'a pas engendré cette exhumation rapide du massif de l'Aar. La crise Messinienne de la mer méditerranée n'a pas pu avoir une incidence directe sur l'érosion du massif de l'Aar mais l'érosion associée à ce phénomène à pu réduire le coin orogénique alpin et causer la réactivation des chevauchements du massif de l'Aar. L'exhumation rapide Miocène a été suivie pas une diminution des taux d'exhumation lors des derniers 6 Ma (jusqu'à 1.3 km\Ma). Cependant, les âges (U-Th)\He sur apatite ainsi que les traces de fission sur apatite des échantillons du tunnel enregistrent une perturbation de l'enregistrement décrit ci-dessus. Les âges obtenus sur les apatites sont sensiblement plus jeunes sous l'axe de la vallée en comparaison du profil d'âges attendus. En effet, on attendrait des âges plus jeunes sous les parties les plus profondes du tunnel à cause de l'advection de la chaleur dans les flancs de la vallée. La vallée est creusée dans des schistes alors que les flancs de celle-ci sont constitués de granitoïdes plus durs. En accord avec les observations hydrologiques du tunnel, nous suggérons que la perméabilité élevée des roches sous l'axe de la vallée à permi l'infiltration de fluides géothermaux qui a généré un réchauffement des roches. Ce réchauffement aurait donc induit une perte d'Hélium et un recuit des traces de fission dans les apatites. Ceci résulterait en un rajeunissement des âges apatite et en une sous-estimation des vitesses d'exhumation sous l'axe de la vallée. Cette étude à servi à démontrer la nécessité d'un échantillonnage fin et précis afin d'apporter des données thermochronologiques de qualité dans le contexte alpin. Cette approche multi-système nous a permi de contrôler la pertinence des données acquises ainsi que d'identifier les sources possibles d'erreurs lors d'études thermochronologiques. RÉSUMÉ LARGE PUBLIC Lors d'une orogenèse, les roches subissent un cycle comprenant une subduction, de la déformation, du métamorphisme et, finalement, un retour à la surface (ou exhumation). L'exhumation résulte de la déformation au sein de la zone de collision, menant à un raccourcissement et un apaissessement de l'édifice rocheux, qui se traduit par une remontée des roches, création d'une topographie et érosion. Puisque l'érosion agit comme un racloir sur la partie supérieure de l'édifice, des tentatives de corrélation entre les épisodes d'exhumation rapide et les périodes d'érosion intensive, dues aux changements climatiques, ont été effectuées. La connaissance de la chronologie et du lieu précis est d'une importance capitale pour une quelconque reconstruction de l'évolution d'une chaîne de montagne. Ces critères sont donnés par un retraçage des changements de la température de la roche en fonction du temps, nous donnant le taux de refroidissement. L'instant auquel les roches ont refroidit, passant une certaine température, est contraint par l'application de techniques de datation par radiométrie. Ces méthodes reposent sur la désintégration des isotopes radiogéniques, tels que l'uranium et le potassium, tous deux abondants dans les roches de la croûte terrestre. Les produits de cette désintégration ne sont pas retenus dans les minéraux hôtes jusqu'au moment du refroidissement de la roche sous une température appelée 'de fermeture' , spécifique à chaque système de datation. Par exemple, la désintégration radioactive des atomes d'uranium et de thorium produit des atomes d'hélium qui s'échappent d'un cristal de zircon à des températures supérieures à 200°C. En mesurant la teneur en uranium-parent, l'hélium accumulé et en connaissant le taux de désintégration, il est possible de calculer à quel moment la roche échantillonnée est passée sous la température de 200°C. Si le gradient géothermal est connu, les températures de fermeture peuvent être converties en profondeurs actuelles (p. ex. 200°C ≈ 7km), et le taux de refroidissement en taux d'exhumation. De plus, en datant par système radiométrique des échantillons espacés verticalement, il est possible de contraindre directement le taux d'exhumation de la section échantillonnée en observant les différences d'âges entre des échantillons voisins. Dans les Alpes suisses, le massif de l'Aar forme une structure orographique majeure. Avec des altitudes supérieures à 4000m et un relief spectaculaire de plus de 2000m, le massif domine la partie centrale de la chaîne de montagne. Les roches aujourd'hui exposées à la surface ont été enfouies à plus de 10 km de profond il y a 20 Ma, mais la topographie actuelle du massif de l'Aar semble surtout s'être développée par un soulèvement actif depuis quelques millions d'années, c'est-à-dire depuis le Néogène supérieur. Cette période comprend un changement climatique soudain ayant touché l'Europe il y a environ 5 Ma et qui a occasionné de fortes précipitations, entraînant certainement une augmentation de l'érosion et accélérant l'exhumation des Alpes. Dans cette étude, nous avons employé le système de datation (U-TH)/He sur zircon, dont la température de fermeture de 200°C est suffisamment basse pour caractériser l'exhumation du Néogène sup. /Pliocène. Les échantillons proviennent du Lötschental et du tunnel ferroviaire le plus profond du monde (NEAT) situé dans la partie ouest du massif de l'Aar. Considérés dans l'ensemble, ces échantillons se répartissent sur un dénivelé de 3000m et des âges de 5.1 à 9.4 Ma. Les échantillons d'altitude supérieure (et donc plus vieux) documentent un taux d'exhumation de 0.4 km/Ma jusqu'à il y a 6 Ma, alors que les échantillons situés les plus bas ont des âges similaires allant de 6 à 5.4 Ma, donnant un taux jusqu'à 3km /Ma. Ces données montrent une accélération dramatique de l'exhumation du massif de l'Aar il y a 6 Ma. L'exhumation miocène sup. du massif prédate donc le changement climatique Pliocène. Cependant, lors de la crise de salinité d'il y a 6-5.3 Ma (Messinien), le niveau de la mer Méditerranée est descendu de 3km. Un tel abaissement de la surface d'érosion peut avoir accéléré l'exhumation des Alpes, mais le bassin sud alpin était trop loin du massif de l'Aar pour influencer son érosion. Nous arrivons à la conclusion que la datation (U-Th)/He permet de contraindre précisément la chronologie et l'exhumation du massif de l'Aar. Concernant la dualité tectonique-érosion, nous suggérons que, dans le cas du massif de l'Aar, la tectonique prédomine.

L'arthrose érosive des doigts [Erosive hand osteoarthritis].

Erosive hand osteoarthritis is common and debilitating. Diagnosis is based on the presence of bone erosions which can appear late. Ultrasonography allows earlier diagnosis. The presence of apatite deposits could be of poor prognosis. Non pharmacological treatment includes the explanation of the inflammatory phenomena involved and the use of splints and physical therapy. Drug therapy includes analgesics, NSAIDs and infiltration of a steroid. Chondroitin sulfates have an analgesic and functional effect proven. DMARDs such as hydroxychloroquine and methotrexate have been used successfully. Some patients also benefited from isotope synoviortheses. New therapeutic ways, based on the pathophysiology of the disease, are new under evaluation.