Paléontologie générale (Paléobiochimie)

Minéralisations biologiques à base de phosphate de calcium

Sophie Cazalbou, Diane Eichert, Christophe Drouet,Christèle Combes, Christian Rey *

Cirimat, École nationale supérieure des ingénieurs en arts chimiques et technologiques, 118, route de Narbonne,31077 Toulouse cedex, France

Reçu le 19 janvier 2004 ; accepté après révision le 12 juillet 2004

Disponible sur internet le 11 septembre 2004

Rédigé à l’invitation du Comité éditorial

Résumé

Les fractions minérales des os et des dents sont constituées d’apatites non stœchiométriques, dont la morphologie, la taillecristalline, la composition et la réactivité sont adaptées à la fonction biologique des tissus. Les apatites des os sont desnanocristaux très réactifs, ayant à leur surface une couche hydratée responsable de leurs propriétés biologiques. Cette coucheinstable se transforme progressivement et inéluctablement en apatite relativement inerte. En dépit d’échelles de temps trèsdifférentes, les principes qui déterminent l’évolution biologique et diagénétique du minéral osseux sont les mêmes, notammentdans les processus impliquant une dissolution–re-précipitation. Pour citer cet article : S. Cazalbou et al., C. R. Palevol 3(2004).© 2004 Académie des sciences. Publié par Elsevier SAS. Tous droits réservés.

Abstract

Biological mineralisations based on calcium phosphate. The mineral fractions of bones and teeth are non-stoichiometricapatite crystals. Their morphology, dimensions, composition and reactivity are adapted to their biological function. Bone apatitesare made of very reactive nanocrystals possessing, on their surface, a structured hydrated layer responsible for their biologicalproperties. This unstable layer becomes progressively and unavoidably transformed into a relatively inert apatite lattice. In spite ofvery different time periods, the laws that determine the biological and diagenetic evolution of bone mineral are the same, especiallyin processes involving dissolution–re-precipitation phenomena. To cite this article: S. Cazalbou et al., C. R. Palevol 3 (2004).© 2004 Académie des sciences. Publié par Elsevier SAS. Tous droits réservés.

Abridged English versionGenerally considered as inert, the mineral of hard

tissues appears in fact as a very reactive and sophisti-cated material. The composition, the crystal size, crys-

tal orientation and surface properties all contribute toadapting the tissue to its biological functions. Thevarious modes of formation, dissolution and evolutionof apatite are utilised to reach specific properties.

* Auteur correspondant.Adresse e-mail : christian.rey@ensiacet.fr (C. Rey).

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1631-0683/$ - see front matter © 2004 Académie des sciences. Publié par Elsevier SAS. Tous droits réservés.doi:10.1016/j.crpv.2004.07.003

All biological mineralisations based on apatitic cal-cium phosphate can be represented by the followingchemical formula [19]:

Ca10–�x–u��PO4�6–x �HPO4 or CO3�x �OH;F;...�2–�x–2u�

with 0 ≤ x ≤ 2 and 0 ≤ 2u ≤ x

in which (x – u) cationic vacancies and (x – 2 u)monovalent anionic vacancies coexist. The u parame-ter appears generally very small and it can be neglected[19]. Two types of carbonate ions are present locatedon the trivalent and monovalent anionic sites of thestructure [27]. For bone and dentine, the proportion ofcationic vacancies is very high and close to the maxi-mum, whereas it is very low for dental enamel [10].

Nanocrystalline apatites precipitate easily inaqueous solutions and their wide domain of formationis probably related to their widespread occurrence inliving organisms. Nascent apatite crystals from anyorigin (tooth enamel, bone, cartilage, fish scales, syn-thetic apatites) show similar characteristics [25,28–31]. Their composition reveals a very high content incationic and monovalent anionic vacancies (x close to2), a low amount of carbonate and a high concentrationof HPO4

2– ions. One of the main characteristics offreshly formed apatites is the existence of non-apatiticenvironments of the mineral ions, as revealed by seve-ral spectroscopic techniques [2,26,27,32,35](Figs. 1 and 2). These ions belong to a hydrated layeron the crystal surface and recent data indicate that thecharacteristic spectroscopic features of the non-apatitic environment are deeply affected by drying [9].Although it shows similarities with hydrated calciumphosphate salts, the hydrated layer seems to corres-pond to a specific organisation.

The non-apatitic environments determine the evol-ution of the apatite nanocrystals. They are less stablethan the apatitic domains and, on aging in aqueoussolutions, they progressively disappear as the apatiticdomain grows [31]. This maturation process contribu-tes to determine the final composition of the crystals.The loosely bound ions of the hydrated surface layercan be easily and reversibly exchanged by ions fromthe solution and this layer also affects the adsorptionproperties of the biological crystals, which vary accor-ding to the maturation stage.

Maturation, ion exchange and adsorption are invol-ved in the dynamic behaviour of apatitic biominerals.Although similar at an early stage, differences between

biological deposits appear during their developmentand determine the adaptation to the tissue function(Fig. 3). For dental enamel, which must resist abrasionand acid etching, the mineral fraction progressivelyincreases as the organic matrix that organised andcontrolled its growth is destroyed. Simultaneously, thesize of the crystals increases and their composition getscloser to stoichiometry. The number of vacancies de-creases, improving crystal cohesion and stability. Allcrystals exhibit a needle-like shape elongated along thec axis of the hexagonal unit cell. The common orienta-tion of these needles perpendicular to the enamel sur-face favours the close packing of crystals and theirre-mineralisation from saliva.

For bone, providing mechanical resistance and ac-ting as a primitive ion reservoir are two crucial func-tions. They are obtained through a tissue organisationinvolving apatite nanocrystals with a very high specificsurface area and a well-developed hydrated layer res-ponsible for ion exchanges with body fluids and ho-meostasis. Bone mineral also interacts with severalorganic matrix constituents and probably participatesin complex regulation processes involving signallingmolecules, in addition to its mechanical role in asso-ciation with the collagen matrix. However, the crystalsformed first, rich in non-apatitic environments, inevi-tably evolve towards more stable, more inert forms andthe original surface properties are lost. Although thisprocess is slowed down by mineral ions that delay there-structuring of the hydrated layer into apatite, theneed for mineral renewal is crucial for many vertebra-tes. It is mainly obtained by remodelling of the tissue,which re-established its original properties. Remodel-ling is facilitated by the small size of the crystals, theirlarge amount of vacancies and the tissue porosity thatdetermines dissolution behaviour. During remodelling,part of the mineral ions is reused in the newly formedtissue. Each mineral ion has its own turnover rate,probably related to its effect on apatite solubility. Thus,fluoride or lead ions, which reduce apatite solubility,are particularly difficult to remove from bone mineralwhen they have been taken up [34], whereas otherelements, like strontium, can be easily eliminated [3].

Despite very different time scales, the diageneticalteration of bone mineral presents some analogieswith biological evolution (Fig. 4). The first stage cor-responds to the rapid and progressive elimination ofnon-apatitic environments. This process probably lasts

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a few months but does not affect the apatitic cores. Twoother slower physical-chemical mechanisms are invol-ved: chemical evolution, driven by the thermodynamicstability of apatites, and leading to less soluble apatitesgenerally incorporating increasing amounts of fluorideand heavy elements (Pb, Ba) with time, and Ostwaldripening, driven by the decrease of surface energy,which favours the growth of large crystals at the expen-ses of the small ones. A biological mechanism invol-ving dissolution–re-precipitation phenomena by mi-croorganisms is also active and can produce nascentapatite crystals able to experience a new cycle ofphysical-chemical evolution. In dissolution–re-precipitation processes, the original composition of themineral may be strongly modified, although the ionslocally dissolved may re-precipitate, like in remodel-ling. Globally, the physical-chemical evolution predo-minates, and an improvement of the crystallinity andan increase of the amount of stabilising ions are obser-ved. Although it is obviously illusory to expect to findunaltered crystals in fossil bone, the extent of diagene-tic changes may vary strongly according to the tissuetype. Generally, denser tissues will be less affected andin these tissues major constituents or their isotopeshave more chance of being preserved by mass effect.Trace elements on the contrary can be largely modified[12] in conjunction with their effect on apatite solubi-lity.

The biological and diagenetic evolution of bonefollows the same processes. The physical-chemicalevolution towards more stable, less soluble apatites isdetermined by the surrounding fluids. It can be perio-dically interrupted due to biological activity with par-tial re-utilisation of the original constitutive ions.

1. Introduction

Généralement considéré comme un composantquasi-inerte, le minéral des tissus durs des vertébrésrévèle en fait une réactivité et une sophistication assezexceptionnelles, déterminées par ses caractéristiquesphysico-chimiques intrinsèques et par l’adaptationbiologique des organes minéralisés à leurs diversesfonctions. Les études de la partie minérale des tissusdurs des vertébrés ont été assez déroutantes pour lespremiers chercheurs. L’identification d’une structurede type apatitique a été effectuée très tôt, par diffrac-

tion des rayons X [8], dans les os et dans l’émaildentaire ; cependant, la composition chimique a rapi-dement révélé une grande variabilité. Les trois compo-sants majeurs (calcium, phosphate et carbonate) ont étérapidement identifiés, mais ils présentaient des propor-tions variables selon la nature, la localisation, l’âge oule type de tissu, contrairement au carbonate de cal-cium, l’autre grand biominéral des tissus durs, dont lacomposition reste invariable. Très tôt, il a été admisqu’il devait exister, dans les tissus durs des vertébrés,deux phases : une phase apatitique cristallisée et unephase carbonatée, en proportions variables [23]. Il fal-lut attendre les années 1970 et les études faites sur lesapatites carbonatées de synthèse [16,18], pour que lavéritable nature du minéral soit approchée. Toutes lesminéralisations biologiques à base de phosphate decalcium peuvent être représentées par la formule chi-mique suivante [19] :

Ca10–�x–u��PO4�6–x �HPO4 ou CO3�x �OH;F;...�2–�x–2u�

avec 0 ≤ x ≤ 2 et 0 ≤ 2u ≤ x

dans laquelle il existe des lacunes cationiques (x – u) etdes lacunes anioniques (x – 2 u) sur les sites monova-lents. Le paramètre u est généralement très faible etpeut être négligé dans le cas des apatites biologiques[19]. Des études détaillées mettent en évidence l’exis-tence de différents types de carbonate sur différentssites anioniques (trivalent et monovalent) de la mailleapatitique [27] et il est établi que la teneur en carbonatedans le minéral osseux croît avec l’âge des vertébrés[19,24]. Pour l’os et la dentine, la proportion de lacu-nes cationiques est très élevée et proche du maximum.Dans le cas de l’émail dentaire, au contraire, les pro-portions de lacunes et le taux d’anions bivalents sontbeaucoup plus faibles, avec une proportion plus impor-tante d’ions carbonate sur les sites anioniques mono-valents [11,28]. Toutefois, une autre caractéristiquedes apatites biologiques a très tôt été révélée, la capa-cité d’échanger certains ions de la surface minérale[21]. Cette caractéristique, ainsi que d’autres aspectsspectraux et structuraux, sont attribués à l’existenced’un précurseur, généralement un phosphate amorphe,qui évolue progressivement vers une phase apatitique[33]. Il faudra attendre plusieurs années pour que soitétablie de manière irréfutable l’absence de phase amor-phe en proportion détectable dans la phase apatitiquedes tissus durs des vertébrés [14]. Parallèlement,d’autres études suggèrent que les différentes caracté-

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ristiques des apatites biologiques, notamment leurmorphologie cristalline, puissent être interprétées enconsidérant l’existence d’un phosphate octocalcique(OCP) [4], dont la structure est très proche de celle desapatites et qui possède la propriété de s’hydrolyser enapatite sans changement de morphologie cristalline.Actuellement, les analyses des caractéristiques struc-turales et spectroscopiques permettent d’exclurel’existence de phase cristallisée étrangère détectable,et le minéral serait constitué d’une seule phase apatiti-que nanocristalline [13]. Toutefois, les nanocristauxd’apatite présentent des propriétés assez exceptionnel-les et le but de cette mise au point est précisément dedécrire ces propriétés et les caractéristiques structura-les particulières qui leur sont associées, de précisercomment ces caractéristiques sont utilisées par les or-ganismes vivants et d’envisager leurs conséquencessur l’évolution des os fossiles.

2. Synthèse d’apatites nanocristallines, analogiesavec les apatites biologiques

Les minéralisations biologiques et le minéral des os,en particulier, apparaissent généralement très hétéro-gènes du point de vue de la composition chimique, lataille cristalline et certaines de leurs propriétés tellesque la dissolution [1]. Par ailleurs, les dimensionsnanométriques des cristaux (à l’exception toutefois descristaux de l’émail dentaire), leur étroite associationavec une matrice organique, rendent l’étude directedifficile et ouvrent la voie à des interprétations faible-ment étayées. La plupart des progrès réalisés dans laconnaissance des minéralisations biologiques ont eupour moteur l’étude de composés de synthèse modèles[10]. Ces composés se révèlent en outre nécessairespour l’étude dynamique des équilibres et des réactionsimpliquant le minéral. La synthèse d’apatites nanocris-tallines est particulièrement facile et peut se produirepar précipitation directe ou par hydrolyse d’autresphosphates de calcium dans des domaines de concen-tration ionique, de température et de pH assez larges,contrairement à la préparation de certains phosphatesde calcium, notamment l’OCP, dont les conditions deformation et de stabilité sont beaucoup plus étroites[6]. Cette facilité de formation est certainement unedes raisons du succès de ce biominéral, qui permet enoutre la régulation de trois composants essentiels des

systèmes biologiques : le calcium, les ions phosphateet les ions carbonate, mais aussi probablement d’autreséléments tels que le magnésium par exemple. La mé-thode de synthèse des apatites nanocristallines la plusfréquemment adoptée est la double décomposition en-tre une solution d’un sel soluble de calcium et d’un selsoluble de phosphate et de carbonate [6,31]. La solu-tion de calcium est versée dans la solution d’ionsphosphate et carbonate. L’excès de ces ions permet detamponner la solution à un pH physiologique sansaddition d’éléments étrangers. Le premier précipitéformé est une apatite nanocristalline très semblable auminéral osseux. Les diagrammes de diffraction desrayons X sont identiques et ne montrent qu’une seulephase cristallisée. La morphologie, la taille des cris-taux et leur composition chimique sont très proches decelles des minéralisations biologiques au tout début duprocessus de minéralisation de la matrice organique[31]. Ces cristaux présentent des caractéristiques struc-turales originales qui méritent une description dé-taillée.

3. Caractéristiques des nanocristaux d’apatite

L’une des caractéristiques essentielles des nanocris-taux d’apatite fraîchement formés, quelle que soit leurorigine (biologique ou synthétique), est la présenced’environnements ioniques spécifiques des ions miné-raux, détectables par diverses méthodes spectroscopi-ques telles que la spectroscopie infrarouge (IR)[26,27], la spectroscopie de résonance magnétique nu-cléaire appliquée aux solides (RMN) [2,32,35] ou laspectroscopie d’absorption des rayons X au voisinagedu seuil d’absorption des éléments (XANES). Toutesces méthodes mettent en évidence, en plus de l’exis-tence d’environnements ioniques majoritaires caracté-ristiques de la structure apatitique, d’autres types d’en-vironnements ioniques détectables uniquement dansles nanocristaux (Fig. 1). Ces environnements ioniquesparticuliers sont appelés « environnements non apatiti-ques ». Ils ont été associés à des couches ioniqueshydratées de surface, particulièrement abondantesdans les nanocristaux d’apatite fraîchement précipités.

Pour des raisons de commodité, la plupart des étu-des effectuées sur ces apatites mal cristallisées ontporté sur des tissus biologiques ou des précipités lyo-philisés. Des études récentes montrent que les caracté-

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ristiques spectroscopiques des environnements nonapatitiques sont en fait profondément modifiées parséchage, quelle que soit la méthode utilisée [9]. Lesspectres obtenus sur des cristaux humides présententdes pics non apatitiques beaucoup plus fins et mieuxdéfinis que ceux observés sur les cristaux lyophilisés.Ces pics, bien que pouvant présenter des analogiesavec ceux de phosphates de calcium hydratés, notam-ment le DCPD (phosphate dicalcique dihydraté oubrushite) et l’OCP, ne correspondent à aucun de cescomposés bien cristallisés. Ces études mettent en évi-dence l’existence de structures hydratées fragiles à lasurface des nanocristaux, qui témoignent probable-ment du mode de formation de ces cristaux en solutionà partir d’ions isolés ou de clusters hydratés (Fig. 2).La persistance de ces structures pourrait être liée à ladiminution de l’énergie interfaciale en milieu aqueux.En effet, les phosphates hydratés présentent générale-ment des énergies interfaciales beaucoup plus faiblesque les apatites [20]. Il semble donc que les environne-ments non apatitiques mis en évidence sur les nano-cristaux lyophilisés soient en fait le résultat d’unealtération de couches hydratées de surface beaucoupmieux structurées.

La composition des cristaux est hétérogène. La cou-che hydratée est essentiellement constituée d’ions bi-

valents (Ca2+, HPO42– et CO3

2–) et les domaines apati-tiques et carbonatés sont assez éloignés de lastœchiométrie, bien qu’il soit actuellement impossiblede connaître avec précision la composition de ces do-maines. Le taux de carbonatation croît avec l’âge duprécipité [31].

Les environnements non apatitiques ont été mis enévidence dans de nombreuses minéralisations biologi-ques (émail dentaire, os, cartilage, écailles de poisson)[25,28,29]. Ils sont généralement plus abondants audébut des processus de minéralisation [30]. L’exis-tence de ces environnements entraîne quelques consé-quences sur les propriétés physico-chimiques des mi-néralisations biologiques qui sont utilisées par lesorganismes vivants.

4. Propriétés physico-chimiques

Les environnements non apatitiques des premiersprécipités sont thermodynamiquement moins stablesque la phase apatitique et on observe, lors du vieillis-sement des suspensions aqueuses d’apatites nanocris-tallines, une progressive diminution relative des do-maines non apatitiques [27]. Il a été démontré que les

Fig. 1. Exemple de spectre infrarouge dans le domaine d’absorptionm4 des groupements PO4, montrant les environnements « non apati-tiques » (bandes en trait gras à 534 et 617 cm–1) et apatitiques(bandes en pointillés à 600, 580 et 560 cm–1).Fig. 1. Example of infrared spectrum in the m4 absorption domain ofPO4 groups, showing the ‘non-apatitic’ (block bands at 534 and617 cm–1) et apatitic environments (dotted bands at 600, 580, and560 cm–1).

Fig. 2. Schéma représentant la constitution des nanocristaux d’apa-tite biologique. La couche hydratée réduit l’énergie de surface descristaux et alimente la croissance, lente, des domaines apatitiques.Les possibilités de substitution ionique sont plus larges dans lacouche hydratée que dans le domaine apatitique.Fig. 2. Sketch showing the structure of biological apatite nanocrys-tals. The hydrated sheet reduces the surface energy of crystals andfeeds the slow growth of apatitic domains. Possibilities of ionicsubstitution are higher in the hydrated sheets than in the apatiticdomain.

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apatites de synthèse évoluaient avec le temps d’unemanière tout à fait analogue au minéral osseux [31](Fig. 3). Les premiers précipités formés contiennentdans tous les cas très peu d’ions carbonate. Ces der-niers s’incorporent d’abord à la couche hydratée, puisaux domaines apatitiques en croissance. Dans un mi-lieu riche en ions carbonate, la maturation est associéeà une diminution de la proportion d’ions hydrogéno-phosphate, et on n’observe globalement aucune varia-tion de la stœchiométrie de la phase apatitique. Toute-fois, un second type de maturation, dans des milieuxpauvres en ions carbonate, conduit à des apatites quitendent vers la stœchiométrie [31]. Ce second proces-sus semble mis en œuvre dans le développement del’émail dentaire et permet d’obtenir des apatites moinslacunaires, plus résistantes aux attaques acides. Ainsi,la maîtrise de la concentration locale des fluides biolo-giques en ions carbonate permet aux organismes vi-vants de contrôler la stœchiométrie de la phase apatiti-que et sa solubilité. Ce minéral peut donc s’adapter àdes fonctions biologiques très différentes.

La deuxième caractéristique importante des apatitesnanocristallines est leur propriété d’échange ionique.Cette propriété, liée essentiellement à la présence de lacouche hydratée, n’affecte que marginalement les do-maines apatitiques. Ainsi, il a été montré que la capa-

cité d’échange des apatites précipitées décroît rapide-ment avec le temps de maturation [31]. Les ionsrelativement mobiles de la couche de surface sontimpliqués dans des équilibres complexes avec la solu-tion, encore mal connus, et qui semblent dépendre del’état de maturation. En ce qui concerne les ions biva-lents, les équilibres peuvent être décrits par une réac-tion d’échange ionique entre le solide et la solution, quitouche les anions aussi bien que les cations, et quin’affecte, ni la structure cristalline, ni les dimensionsdes cristallites. Les substitutions possibles semblentplus nombreuses que pour le réseau apatitique ; ainsi,les ions Mg2+, qui ne se substituent que très difficile-ment aux ions Ca2+ à l’intérieur de la structure, peu-vent facilement remplacer le calcium dans la couchehydratée [5]. Les échanges ioniques sont très rapides(l’équilibre est atteint en quelques minutes) et réversi-bles. Cependant, certains ions de la couche hydratéepeuvent se fixer dans les domaines apatitiques au coursde la maturation : l’échange devient alors progressive-ment irréversible [5]. C’est ce qui se passe, par exem-ple, avec les ions strontium ou carbonate. D’autres ionscomme le magnésium sont cantonnés à la couche hy-dratée et restent majoritairement échangeables, quelque soit le temps de maturation. Ces réactions sontprobablement très impliquées dans l’homéostasie, unedes fonctions majeures du minéral osseux. Une autre

Fig. 3. Schéma de l’évolution physico-chimique des minéralisations biologiques in vivo.Fig. 3. Sketch of the physical-chemical evolution of in vivo biological mineralisations.

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conséquence des échanges ioniques impliquant la cou-che hydratée concerne les intoxications par des élé-ments aptes à se fixer sur le minéral.

La surface des nanocristaux détermine égalementles interactions avec la matrice organique. Il a été établique les propriétés d’adsorption étaient étroitementliées à l’état de maturation. Ainsi, l’affinité semblecroître avec le temps de maturation, alors que le nom-bre de sites d’adsorption diminue [22]. L’augmenta-tion de l’affinité semble compatible avec l’augmenta-tion de l’énergie interfaciale due à la maturation. Sur leplan biologique, les variations des propriétés interfa-ciales pourraient être liées aux propriétés mécaniques,mais elles pourraient aussi permettre de réguler lesconcentrations de certaines protéines spécifiques dutissu osseux et probablement le remodelage osseux,bien qu’aucun travail n’ait jusqu’à présent démontréces effets [30].

5. Dynamique du minéral dans les organismesvivants

Les tout premiers dépôts minéraux d’apatite dansdifférents tissus biologiques sont étonnamment pro-ches, du point de vue de leur composition chimique etde leur structure, des premiers cristaux obtenus parsynthèse. D’importantes différences apparaissent aucours du développement et répondent à la nécessaireadaptation du tissu à sa fonction (Fig. 3). Dans l’émaildentaire, qui doit résister à l’abrasion et aux attaquesacides, la fraction minérale croît progressivement auxdépens de la matrice organique, qui organise etcontrôle sa croissance. Parallèlement, la taille des cris-taux augmente considérablement et leur compositions’écarte de celle du minéral osseux et des premierscristaux. Notamment, le nombre de lacunes cationi-ques diminue, accroissant ainsi la cohésion cristallineet la stabilité de la structure. À la fin de sa formation,l’émail est constitué de cristaux aciculaires orientésparallèlement. L’axe c de la maille hexagonale del’apatite est perpendiculaire à la surface de l’émail.Cette direction, qui correspond à la vitesse de crois-sance maximale des cristaux d’apatite facilite certaine-ment la reminéralisation de l’émail par la salive. Chezcertaines espèces, l’émail est constitué de fluorapatitepratiquement stœchiométrique, l’une des apatites lesplus insolubles [17].

Dans le cas de l’os, au contraire, les propriétés derésistance mécanique et celle, plus primitive, de réser-voir d’ions sont essentielles. Elles sont assurées no-tamment grâce aux nanocristaux d’apatite, de surfacespécifique très élevée, et dont la couche hydratée su-perficielle détermine les échanges avec les fluides bio-logiques et l’interaction avec la matrice organique.Toutefois, les premiers précipités sont métastables etévoluent inexorablement vers des formes plus stableset plus insolubles, dans lesquelles le minéral perd unegrande partie de sa réactivité superficielle. Ce proces-sus est ralenti par divers ions qui se localisent dans lacouche hydratée et qui gênent sa restructuration enapatite, notamment les ions Mg2+ et CO3

2–. Il est éga-lement probable que des protéines adsorbées à la sur-face du minéral pourraient jouer le même rôle. Unautre processus de régénération de la couche hydratéepourrait être son renouvellement quotidien lié aux va-riations circadiennes des ions calcium et phosphate.Cependant, le processus essentiel reste le remodelageosseux, qui conduit à un renouvellement périodique detout le tissu et rétablit les propriétés d’un minéralfraîchement formé. La dissolution du minéral est faci-litée par la petite taille des cristaux, leur écart à lastœchiométrie, qui diminue la cohésion cristalline, etla porosité du tissu. Le remodelage s’effectue avec desvitesses très différentes selon les tissus ; par exemple,le renouvellement d’un os spongieux, aux épiphysesd’un os long, est plus rapide que celui de la partiediaphysaire corticale. Le minéral du tissu est donc trèshétérogène et l’os spongieux des épiphyses, qui estaussi le mieux irrigué par le sang, est généralementbeaucoup plus riche en environnements non apatiti-ques et plus réactif que le minéral d’un os cortical.Cette accessibilité et cette réactivité expliquent la fixa-tion préférentielle de certains éléments dans les zonesépiphysaires (Sr, Pb, F...) [7], lors d’une intoxicationou d’un changement brutal dans l’alimentation. On saitaussi que le remodelage est beaucoup plus actif chezles êtres jeunes, et ceci explique la sensibilité particu-lière de jeunes enfants à diverses maladies, comme lesaturnisme par exemple. Lors du remodelage, une par-tie des ions minéraux du minéral ancien est réutiliséepour former l’os nouveau mais chaque ion a ses pro-pres caractéristiques de recyclage, probablement déter-minées par leur effet sur la solubilité des apatites.Ainsi, les ions fluorure, qui donnent des apatites trèsinsolubles, sont particulièrement difficiles à éliminer

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de l’os lorsqu’ils y sont entrés [34]. Il en est de mêmepour le plomb ; en revanche, d’autres éléments, commeSr, peuvent être facilement éliminés [3]. Inversement,la stabilisation de la structure minérale induite pardivers éléments ralentit les processus de remodelage.

6. Évolution diagénétique

Différents stades dans l’évolution diagénétique desminéralisations biologiques apatitiques peuvent êtredéfinis (Fig. 4). Le tout premier stade correspond à ladisparition progressive des environnements non apati-tiques. Ce temps de maturation peut être évalué àquelques mois, mais ce phénomène, très rapide, peutavoir pour conséquence la fixation sur le minéral dedivers éléments de l’environnement immédiat. Ce pro-cessus ne conduit cependant pas à un remaniementprofond du minéral, et les domaines apatitiques decœur, en particulier, ne seraient pas altérés à ce stade. Ilexiste deux autres mécanismes, beaucoup plus lents,qui peuvent affecter beaucoup plus profondément l’en-semble de la structure. Le premier mécanisme est uneévolution de la composition chimique. De nombreuxéléments peuvent s’incorporer au réseau cristallin se-lon la composition locale des fluides, avec pour moteurla stabilité thermodynamique. Ainsi, on observe géné-ralement une augmentation de la teneur en fluor et enéléments lourds, qui conduit à des apatites plus insolu-bles et plus stables. En revanche, les apatites restent

partiellement carbonatées, malgré les lacunes et lesdéfauts de stabilité que la présence de carbonate impli-que. Il faut en fait considérer que l’évolution naturelletend vers un équilibre solide–solution et, si les fluideslocaux contiennent des ions carbonate, l’apatite encontiendra également. De plus, en raison de l’existenced’un large domaine de solutions solides, les équilibrespeuvent ne concerner, dans un premier stade, que lasurface des cristaux. Les mécanismes de restructura-tion plus profonds nécessitent, quant à eux, des proces-sus de dissolution–re-précipitation plus lents. Le troi-sième phénomène est une maturation de type« mûrissement d’Ostwald », dont la force motrice est ladiminution de l’énergie de surface. Ce mûrissementconduit à une dissolution des petits cristaux au profitdes gros, plus stables. Enfin, un autre processus d’alté-ration, particulièrement important puisqu’il se traduitpar des phénomènes de dissolution–re-précipitation,est lié à l’activité de microorganismes (levures, bacté-ries). Contrairement aux processus physico-chimiquesprécédents, qui conduisent nécessairement à la forma-tion d’un minéral plus stable, le processus biologiqued’altération peut conduire à des précipités minérauxtrès instables et réactifs, susceptibles de commencer unnouveau cycle d’évolution physico-chimique déter-miné par l’environnement immédiat. Ce processus estaffecté par la stabilité du minéral et sa teneur en cer-tains ions potentiellement toxiques pour les micro-,organismes, comme le fluor par exemple.

Fig. 4. Schéma de l’évolution diagénétique des minéralisations biologiques (fossilisation).Fig. 4. Sketch of the diagenetic evolution of biological mineralisations (fossilisation).

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Les mécanismes de dissolution–re-précipitationpeuvent conduire à une profonde altération du contenude la maille minérale, bien que les ions libérés locale-ment puissent être en partie réutilisés, comme dans leremodelage osseux. Globalement, les processus d’évo-lution physico-chimiques semblent dominer et on ob-serve une amélioration de l’état cristallin dû à la crois-sance des dimensions moyennes des cristaux et à uneplus grande perfection de la structure, ainsi que lafixation d’éléments étrangers stabilisant la structureapatitique, comme le fluor et probablement certainsmétaux lourds (Pb, Ba). L’uranium et ses dérivés ontégalement une affinité particulière pour la structureapatitique ; ils ont été utilisés pour la datation. Lesaltérations profondes du minéral étant toujours liées àla présence d’eau, on peut penser qu’elles dépendentnotamment de la porosité des tissus. Il est ainsi géné-ralement considéré que l’émail dentaire, en raison de lataille des cristallites d’apatite et de sa faible porosité,évolue peu. Le tissu osseux spongieux et les petits osseraient par ailleurs plus affectés que les os corticaux etgros dans lesquels la diffusion des fluides est plus lenteet les taux de réutilisation d’ions dans les mécanismesde dissolution–re-précipitation sont également plusélevés. Les composants minéraux des tissus osseuxfossiles sont aujourd’hui de plus en plus utilisés pour ladatation ou pour des recherches plus fines, visant àdéterminer, par exemple, les types d’alimentation. Ilest certain, cependant, que, contrairement aux compo-sants organiques résiduels, les apatites biologiques, parleur structure et la nature des cristallites, peuvent subirde profondes évolutions [15]. Il est probablement assezillusoire d’essayer de trouver du minéral non altérédans un os fossilisé et il semble plus raisonnable d’es-sayer de préciser dans quelle proportion et dans quellemesure l’évolution diagénétique risque de perturber lesdéterminations envisagées [12]. Globalement, les élé-ments les plus abondants du minéral sont ceux quirisquent le moins d’avoir été fortement altérés par desapports extérieurs, simplement par effet de masse,donc les mesures utilisant les ions (y compris les diffé-rentes substitutions isotopiques) Ca2+, PO4

3–, et dansune mesure probablement plus faible CO3

2–, devraientêtre relativement fidèles. En revanche, les éléments entraces et les rapports isotopiques les impliquant peu-vent être considérablement modifiés et il est donc pré-férable d’utiliser, dans ce cas, des tissus plus denses,avec de gros cristaux, comme l’émail dentaire. Certai-

nes procédures courantes paraissent, par ailleurs, assezdiscutables. La dissolution acide, par exemple [12],couramment employée pour extraire les fractions alté-rées, paraît d’utilisation délicate ; en effet, si ce traite-ment dissout de préférence les parties superficielles lesplus accessibles et les parties altérées sous l’effet desmicro-organismes, elle peut aussi dissoudre des frac-tions peu altérées, nécessairement plus solubles que lesfractions stabilisées par l’évolution diagénétique, denature physico-chimique. De plus, cette méthode peutconduire à de fortes variations de pH dans le tissu et àune re-précipitation.

Malgré des échelles de temps très différentes, l’évo-lution diagénétique des os et leur évolution biologiqueprésentent des similarités. En raison de sa réactivité, leminéral osseux, qui s’altère progressivement dans unorganisme vivant, est nécessairement modifié après lamort. Le remodelage biologique, comme l’évolutiondiagénétique, s’effectue avec une réutilisation partielledes ions minéraux, déterminée par la stabilité thermo-dynamique et l’abondance locale des éléments chimi-ques.

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