Les minéralisations biologiques et le minéral des os, en particulier, apparaissent généralement très hétérogènes du point de vue de la composition chimique, la taille cristalline et certaines de leurs propriétés telles que la dissolution [1]. Par ailleurs, les dimensions nanométriques des cristaux (à l'exception toutefois des cristaux de l'émail dentaire), leur étroite association avec une matrice organique, rendent l'étude directe difficile et ouvrent la voie à des interprétations faiblement étayées. La plupart des progrès réalisés dans la connaissance des minéralisations biologiques ont eu pour moteur l'étude de composés de synthèse modèles [10]. Ces composés se révèlent en outre nécessaires pour l'étude dynamique des équilibres et des réactions impliquant le minéral. La synthèse d'apatites nanocristallines est particulièrement facile et peut se produire par précipitation directe ou par hydrolyse d'autres phosphates de calcium dans des domaines de concentration ionique, de température et de pH assez larges, contrairement à la préparation de certains phosphates de calcium, notamment l'OCP, dont les conditions de formation et de stabilité sont beaucoup plus étroites [6]. Cette facilité de formation est certainement une des raisons du succès de ce biominéral, qui permet en outre la régulation de trois composants essentiels des systèmes biologiques : le calcium, les ions phosphate et les ions carbonate, mais aussi probablement d'autres éléments tels que le magnésium par exemple. La méthode de synthèse des apatites nanocristallines la plus fréquemment adoptée est la double décomposition entre une solution d'un sel soluble de calcium et d'un sel soluble de phosphate et de carbonate [6] and [31]. La solution de calcium est versée dans la solution d'ions phosphate et carbonate. L'excès de ces ions permet de tamponner la solution à un pH physiologique sans addition d'éléments étrangers. Le premier précipité formé est une apatite nanocristalline très semblable au minéral osseux. Les diagrammes de diffraction des rayons X sont identiques et ne montrent qu'une seule phase cristallisée. La morphologie, la taille des cristaux et leur composition chimique sont très proches de celles des minéralisations biologiques au tout début du processus de minéralisation de la matrice organique [31]. Ces cristaux présentent des caractéristiques structurales originales qui méritent une description détaillée.

L'une des caractéristiques essentielles des nanocristaux d'apatite fraîchement formés, quelle que soit leur origine (biologique ou synthétique), est la présence d'environnements ioniques spécifiques des ions minéraux, détectables par diverses méthodes spectroscopiques telles que la spectroscopie infrarouge (IR) [26] and [27], la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire appliquée aux solides (RMN) [2], [32] and [35] ou la spectroscopie d'absorption des rayons X au voisinage du seuil d'absorption des éléments (XANES). Toutes ces méthodes mettent en évidence, en plus de l'existence d'environnements ioniques majoritaires caractéristiques de la structure apatitique, d'autres types d'environnements ioniques détectables uniquement dans les nanocristaux (Fig. 1). Ces environnements ioniques particuliers sont appelés « environnements non apatitiques ». Ils ont été associés à des couches ioniques hydratées de surface, particulièrement abondantes dans les nanocristaux d'apatite fraîchement précipités.

Pour des raisons de commodité, la plupart des études effectuées sur ces apatites mal cristallisées ont porté sur des tissus biologiques ou des précipités lyophilisés. Des études récentes montrent que les caractéristiques spectroscopiques des environnements non apatitiques sont en fait profondément modifiées par séchage, quelle que soit la méthode utilisée [9]. Les spectres obtenus sur des cristaux humides présentent des pics non apatitiques beaucoup plus fins et mieux définis que ceux observés sur les cristaux lyophilisés. Ces pics, bien que pouvant présenter des analogies avec ceux de phosphates de calcium hydratés, notamment le DCPD (phosphate dicalcique dihydraté ou brushite) et l'OCP, ne correspondent à aucun de ces composés bien cristallisés. Ces études mettent en évidence l'existence de structures hydratées fragiles à la surface des nanocristaux, qui témoignent probablement du mode de formation de ces cristaux en solution à partir d'ions isolés ou de clusters hydratés (Fig. 2). La persistance de ces structures pourrait être liée à la diminution de l'énergie interfaciale en milieu aqueux. En effet, les phosphates hydratés présentent généralement des énergies interfaciales beaucoup plus faibles que les apatites [20]. Il semble donc que les environnements non apatitiques mis en évidence sur les nanocristaux lyophilisés soient en fait le résultat d'une altération de couches hydratées de surface beaucoup mieux structurées.

La composition des cristaux est hétérogène. La couche hydratée est essentiellement constituée d'ions bivalents (Ca²⁺, HPO 4 2 – $ {{\mathrm{HPO}}_{4}}^{2–}$ et CO 3 2 – $ {{\mathrm{CO}}_{3}}^{2–}$ ) et les domaines apatitiques et carbonatés sont assez éloignés de la stœchiométrie, bien qu'il soit actuellement impossible de connaître avec précision la composition de ces domaines. Le taux de carbonatation croît avec l'âge du précipité [31].

Les environnements non apatitiques ont été mis en évidence dans de nombreuses minéralisations biologiques (émail dentaire, os, cartilage, écailles de poisson) [25], [28] and [29]. Ils sont généralement plus abondants au début des processus de minéralisation [30]. L'existence de ces environnements entraîne quelques conséquences sur les propriétés physico-chimiques des minéralisations biologiques qui sont utilisées par les organismes vivants.

Les environnements non apatitiques des premiers précipités sont thermodynamiquement moins stables que la phase apatitique et on observe, lors du vieillissement des suspensions aqueuses d'apatites nanocristallines, une progressive diminution relative des domaines non apatitiques [27]. Il a été démontré que les apatites de synthèse évoluaient avec le temps d'une manière tout à fait analogue au minéral osseux [31] (Fig. 3). Les premiers précipités formés contiennent dans tous les cas très peu d'ions carbonate. Ces derniers s'incorporent d'abord à la couche hydratée, puis aux domaines apatitiques en croissance. Dans un milieu riche en ions carbonate, la maturation est associée à une diminution de la proportion d'ions hydrogénophosphate, et on n'observe globalement aucune variation de la stœchiométrie de la phase apatitique. Toutefois, un second type de maturation, dans des milieux pauvres en ions carbonate, conduit à des apatites qui tendent vers la stœchiométrie [31]. Ce second processus semble mis en œuvre dans le développement de l'émail dentaire et permet d'obtenir des apatites moins lacunaires, plus résistantes aux attaques acides. Ainsi, la maîtrise de la concentration locale des fluides biologiques en ions carbonate permet aux organismes vivants de contrôler la stœchiométrie de la phase apatitique et sa solubilité. Ce minéral peut donc s'adapter à des fonctions biologiques très différentes.

La deuxième caractéristique importante des apatites nanocristallines est leur propriété d'échange ionique. Cette propriété, liée essentiellement à la présence de la couche hydratée, n'affecte que marginalement les domaines apatitiques. Ainsi, il a été montré que la capacité d'échange des apatites précipitées décroît rapidement avec le temps de maturation [31]. Les ions relativement mobiles de la couche de surface sont impliqués dans des équilibres complexes avec la solution, encore mal connus, et qui semblent dépendre de l'état de maturation. En ce qui concerne les ions bivalents, les équilibres peuvent être décrits par une réaction d'échange ionique entre le solide et la solution, qui touche les anions aussi bien que les cations, et qui n'affecte, ni la structure cristalline, ni les dimensions des cristallites. Les substitutions possibles semblent plus nombreuses que pour le réseau apatitique ; ainsi, les ions Mg²⁺, qui ne se substituent que très difficilement aux ions Ca²⁺ à l'intérieur de la structure, peuvent facilement remplacer le calcium dans la couche hydratée [5]. Les échanges ioniques sont très rapides (l'équilibre est atteint en quelques minutes) et réversibles. Cependant, certains ions de la couche hydratée peuvent se fixer dans les domaines apatitiques au cours de la maturation : l'échange devient alors progressivement irréversible [5]. C'est ce qui se passe, par exemple, avec les ions strontium ou carbonate. D'autres ions comme le magnésium sont cantonnés à la couche hydratée et restent majoritairement échangeables, quel que soit le temps de maturation. Ces réactions sont probablement très impliquées dans l'homéostasie, une des fonctions majeures du minéral osseux. Une autre conséquence des échanges ioniques impliquant la couche hydratée concerne les intoxications par des éléments aptes à se fixer sur le minéral.

La surface des nanocristaux détermine également les interactions avec la matrice organique. Il a été établi que les propriétés d'adsorption étaient étroitement liées à l'état de maturation. Ainsi, l'affinité semble croître avec le temps de maturation, alors que le nombre de sites d'adsorption diminue [22]. L'augmentation de l'affinité semble compatible avec l'augmentation de l'énergie interfaciale due à la maturation. Sur le plan biologique, les variations des propriétés interfaciales pourraient être liées aux propriétés mécaniques, mais elles pourraient aussi permettre de réguler les concentrations de certaines protéines spécifiques du tissu osseux et probablement le remodelage osseux, bien qu'aucun travail n'ait jusqu'à présent démontré ces effets [30].

Les tout premiers dépôts minéraux d'apatite dans différents tissus biologiques sont étonnamment proches, du point de vue de leur composition chimique et de leur structure, des premiers cristaux obtenus par synthèse. D'importantes différences apparaissent au cours du développement et répondent à la nécessaire adaptation du tissu à sa fonction (Fig. 3). Dans l'émail dentaire, qui doit résister à l'abrasion et aux attaques acides, la fraction minérale croît progressivement aux dépens de la matrice organique, qui organise et contrôle sa croissance. Parallèlement, la taille des cristaux augmente considérablement et leur composition s'écarte de celle du minéral osseux et des premiers cristaux. Notamment, le nombre de lacunes cationiques diminue, accroissant ainsi la cohésion cristalline et la stabilité de la structure. À la fin de sa formation, l'émail est constitué de cristaux aciculaires orientés parallèlement. L'axe c de la maille hexagonale de l'apatite est perpendiculaire à la surface de l'émail. Cette direction, qui correspond à la vitesse de croissance maximale des cristaux d'apatite facilite certainement la reminéralisation de l'émail par la salive. Chez certaines espèces, l'émail est constitué de fluorapatite pratiquement stœchiométrique, l'une des apatites les plus insolubles [17].

Dans le cas de l'os, au contraire, les propriétés de résistance mécanique et celle, plus primitive, de réservoir d'ions sont essentielles. Elles sont assurées notamment grâce aux nanocristaux d'apatite, de surface spécifique très élevée, et dont la couche hydratée superficielle détermine les échanges avec les fluides biologiques et l'interaction avec la matrice organique. Toutefois, les premiers précipités sont métastables et évoluent inexorablement vers des formes plus stables et plus insolubles, dans lesquelles le minéral perd une grande partie de sa réactivité superficielle. Ce processus est ralenti par divers ions qui se localisent dans la couche hydratée et qui gênent sa restructuration en apatite, notamment les ions Mg²⁺ et CO 3 2 – $ {{\mathrm{CO}}_{3}}^{2–}$ . Il est également probable que des protéines adsorbées à la surface du minéral pourraient jouer le même rôle. Un autre processus de régénération de la couche hydratée pourrait être son renouvellement quotidien lié aux variations circadiennes des ions calcium et phosphate. Cependant, le processus essentiel reste le remodelage osseux, qui conduit à un renouvellement périodique de tout le tissu et rétablit les propriétés d'un minéral fraîchement formé. La dissolution du minéral est facilitée par la petite taille des cristaux, leur écart à la stœchiométrie, qui diminue la cohésion cristalline, et la porosité du tissu. Le remodelage s'effectue avec des vitesses très différentes selon les tissus ; par exemple, le renouvellement d'un os spongieux, aux épiphyses d'un os long, est plus rapide que celui de la partie diaphysaire corticale. Le minéral du tissu est donc très hétérogène et l'os spongieux des épiphyses, qui est aussi le mieux irrigué par le sang, est généralement beaucoup plus riche en environnements non apatitiques et plus réactif que le minéral d'un os cortical. Cette accessibilité et cette réactivité expliquent la fixation préférentielle de certains éléments dans les zones épiphysaires (Sr, Pb, F...) [7], lors d'une intoxication ou d'un changement brutal dans l'alimentation. On sait aussi que le remodelage est beaucoup plus actif chez les êtres jeunes, et ceci explique la sensibilité particulière de jeunes enfants à diverses maladies, comme le saturnisme par exemple. Lors du remodelage, une partie des ions minéraux du minéral ancien est réutilisée pour former l'os nouveau mais chaque ion a ses propres caractéristiques de recyclage, probablement déterminées par leur effet sur la solubilité des apatites. Ainsi, les ions fluorure, qui donnent des apatites très insolubles, sont particulièrement difficiles à éliminer de l'os lorsqu'ils y sont entrés [34]. Il en est de même pour le plomb ; en revanche, d'autres éléments, comme Sr, peuvent être facilement éliminés [3]. Inversement, la stabilisation de la structure minérale induite par divers éléments ralentit les processus de remodelage.

Différents stades dans l'évolution diagénétique des minéralisations biologiques apatitiques peuvent être définis (Fig. 4). Le tout premier stade correspond à la disparition progressive des environnements non apatitiques. Ce temps de maturation peut être évalué à quelques mois, mais ce phénomène, très rapide, peut avoir pour conséquence la fixation sur le minéral de divers éléments de l'environnement immédiat. Ce processus ne conduit cependant pas à un remaniement profond du minéral, et les domaines apatitiques de cœur, en particulier, ne seraient pas altérés à ce stade. Il existe deux autres mécanismes, beaucoup plus lents, qui peuvent affecter beaucoup plus profondément l'ensemble de la structure. Le premier mécanisme est une évolution de la composition chimique. De nombreux éléments peuvent s'incorporer au réseau cristallin selon la composition locale des fluides, avec pour moteur la stabilité thermodynamique. Ainsi, on observe généralement une augmentation de la teneur en fluor et en éléments lourds, qui conduit à des apatites plus insolubles et plus stables. En revanche, les apatites restent partiellement carbonatées, malgré les lacunes et les défauts de stabilité que la présence de carbonate implique. Il faut en fait considérer que l'évolution naturelle tend vers un équilibre solide–solution et, si les fluides locaux contiennent des ions carbonate, l'apatite en contiendra également. De plus, en raison de l'existence d'un large domaine de solutions solides, les équilibres peuvent ne concerner, dans un premier stade, que la surface des cristaux. Les mécanismes de restructuration plus profonds nécessitent, quant à eux, des processus de dissolution–re-précipitation plus lents. Le troisième phénomène est une maturation de type « mûrissement d'Ostwald », dont la force motrice est la diminution de l'énergie de surface. Ce mûrissement conduit à une dissolution des petits cristaux au profit des gros, plus stables. Enfin, un autre processus d'altération, particulièrement important puisqu'il se traduit par des phénomènes de dissolution–re-précipitation, est lié à l'activité de microorganismes (levures, bactéries). Contrairement aux processus physico-chimiques précédents, qui conduisent nécessairement à la formation d'un minéral plus stable, le processus biologique d'altération peut conduire à des précipités minéraux très instables et réactifs, susceptibles de commencer un nouveau cycle d'évolution physico-chimique déterminé par l'environnement immédiat. Ce processus est affecté par la stabilité du minéral et sa teneur en certains ions potentiellement toxiques pour les micro-, organismes, comme le fluor par exemple.

Les mécanismes de dissolution–re-précipitation peuvent conduire à une profonde altération du contenu de la maille minérale, bien que les ions libérés localement puissent être en partie réutilisés, comme dans le remodelage osseux. Globalement, les processus d'évolution physico-chimiques semblent dominer et on observe une amélioration de l'état cristallin dû à la croissance des dimensions moyennes des cristaux et à une plus grande perfection de la structure, ainsi que la fixation d'éléments étrangers stabilisant la structure apatitique, comme le fluor et probablement certains métaux lourds (Pb, Ba). L'uranium et ses dérivés ont également une affinité particulière pour la structure apatitique ; ils ont été utilisés pour la datation. Les altérations profondes du minéral étant toujours liées à la présence d'eau, on peut penser qu'elles dépendent notamment de la porosité des tissus. Il est ainsi généralement considéré que l'émail dentaire, en raison de la taille des cristallites d'apatite et de sa faible porosité, évolue peu. Le tissu osseux spongieux et les petits os seraient par ailleurs plus affectés que les os corticaux et gros dans lesquels la diffusion des fluides est plus lente et les taux de réutilisation d'ions dans les mécanismes de dissolution–re-précipitation sont également plus élevés. Les composants minéraux des tissus osseux fossiles sont aujourd'hui de plus en plus utilisés pour la datation ou pour des recherches plus fines, visant à déterminer, par exemple, les types d'alimentation. Il est certain, cependant, que, contrairement aux composants organiques résiduels, les apatites biologiques, par leur structure et la nature des cristallites, peuvent subir de profondes évolutions [15]. Il est probablement assez illusoire d'essayer de trouver du minéral non altéré dans un os fossilisé et il semble plus raisonnable d'essayer de préciser dans quelle proportion et dans quelle mesure l'évolution diagénétique risque de perturber les déterminations envisagées [12]. Globalement, les éléments les plus abondants du minéral sont ceux qui risquent le moins d'avoir été fortement altérés par des apports extérieurs, simplement par effet de masse, donc les mesures utilisant les ions (y compris les différentes substitutions isotopiques) Ca²⁺, PO 4 3 – $ {{\mathrm{PO}}_{4}}^{3–}$ , et dans une mesure probablement plus faible CO 3 2 – $ {{\mathrm{CO}}_{3}}^{2–}$ , devraient être relativement fidèles. En revanche, les éléments en traces et les rapports isotopiques les impliquant peuvent être considérablement modifiés et il est donc préférable d'utiliser, dans ce cas, des tissus plus denses, avec de gros cristaux, comme l'émail dentaire. Certaines procédures courantes paraissent, par ailleurs, assez discutables. La dissolution acide, par exemple [12], couramment employée pour extraire les fractions altérées, paraît d'utilisation délicate ; en effet, si ce traitement dissout de préférence les parties superficielles les plus accessibles et les parties altérées sous l'effet des micro-organismes, elle peut aussi dissoudre des fractions peu altérées, nécessairement plus solubles que les fractions stabilisées par l'évolution diagénétique, de nature physico-chimique. De plus, cette méthode peut conduire à de fortes variations de pH dans le tissu et à une re-précipitation.

Malgré des échelles de temps très différentes, l'évolution diagénétique des os et leur évolution biologique présentent des similarités. En raison de sa réactivité, le minéral osseux, qui s'altère progressivement dans un organisme vivant, est nécessairement modifié après la mort. Le remodelage biologique, comme l'évolution diagénétique, s'effectue avec une réutilisation partielle des ions minéraux, déterminée par la stabilité thermodynamique et l'abondance locale des éléments chimiques.