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M1 Science des matériaux - matériaux pour la médecine - D. Bazin - Sept 2011
TiO2 - 1 -
M1 Science des matériaux -
matériaux pour la médecine -
Sept 2011
TiO2 - Diffraction
Science des mat ériauxTechniques de
caractérisation
Médecine
Biomat ériaux
D. Bazin
Laboratoire de Physique des Solides UMR 8502,
Université Paris Sud, Bât 510 91405 Orsay Cedex, France.
M1 Science des matériaux - matériaux pour la médecine - D. Bazin - Sept
2011 TiO2
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PLAN Chapitre 0 Introduction
Chapitre 1 Sondes & Polymères
Chapitre 2 - Prothèse en alliage à base de titane Partie A Chapitre 2.1 Aspect médical Chapitre 2.1a La Hanche
Chapitre 2.1b Le disque intervertébral
Chapitre 2.1c Implants dentaires
Chapitre 2.2 Métallurgie - La raideur des alliages
Chapitre 2.3 Surface d’une prothèse en titane Chapitre 2.3a Nature de la surface d’une prothèse en titane.
Chapitre 2.3b La structure de l’oxyde TiO2.
Chapitre 2.3c Taille et stabilité des particules de TiO2.
Partie B Diffraction des rayons X
Chapitre 2.4a Généralités
Chapitre 2.4b Aspects expérimentaux
Chapitre 2.4c Complémentarité Neutrons – Rayons X
Chapitre 2.4d Equation de Debye
Chapitre 2.4e Diffraction de nanomatériaux
Chapitre 2.4f Formule de Scherrer
Chapitre 2.4g Le cas de nanocristaux anisotropes
Chapitre 2.4h Application aux apatites
Partie C Chapitre 2.5 Revêtement d’apatite Chapitre 2.5a Mécanismes de formation de l’apatite
Chapitre 2.5b Régularité de la couche de TiO2
Chapitre 2.5c Composition chimique de l’interface Ti/HA
Chapitre 2.5d Porosité
Chapitre 2.5e Optimisation de la couche d’apatite
Chapitre 2.6 Etude de la surface d’un implant réel
Chapitre 2.7 Autres applications Chapitre 2.7a TiO2 comme agent anticancéreux
Chapitre 2.7b TiO2 comme agent antibactérien (Ag/TiO2)
Chapitre 2.7c TiO2 Pour stopper les hémorragies
Chapitre 2.8 Toxicité des nanoparticules de TiO2
Chapitre 2.8a Réponse cellulaire
Chapitre 2.8b Par inhalation
Chapitre 2.8c A travers la peau
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PARTIE B
CHAPITRE 2.4 LA DIFFRACTION DES RAYONS X
Chapitre 2.4a Généralités
Par définition1, il y a diffraction lorsqu’un objet
irradié par une onde émet des radiations
secondaires de même longueur d’onde avec une
répartition dans l’espace caractéristique de la
structure de l’objet.
1. Guinier A, X-ray diffraction in crystals, imperfect crystals and amorphous bodies, Dunod,
Paris, 1956.
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2. http://www.crhea.cnrs.fr/crhea/loi_bragg.htm
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Chapitre 2.4b Aspects expérimentaux
L’intensité en fonction de l’angle donne l’organisation des atomes dans la matière
Neutrons
Grande pénétration dans la Matière
Sensibilité aux éléments légers
Taille moyenne des cristaux
Rayons X
Petits faisceaux - Cartographie
Très faible quantité d’échantillons
Taille moyenne des cristaux
Facteur de diffusion atomique des rayons X
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3. http://wwwens.uqac.ca/chimie/Chimie_theorique/cadres/Cadre_chap_16.htm
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Montages expérimentaux – Rayons X
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4. http://www.unilim.fr/theses/2003/sciences/2003limo0064/these_back.html
5. http://wwwens.uqac.ca/chimie/Chimie_theorique/cadres/Cadre_chap_16.htm
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Chapitre 2.4c Complémentarité Neutrons – Rayons X
Neutrons
Grande pénétration dans la Matière
Sensibilité aux éléments légers
Taille moyenne des cristaux
Rayons X
Petits faisceaux - Cartographie
Très faible quantité d’échantillons
Taille moyenne des cristaux
Montages expérimentaux – Neutrons
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Chapitre 2.4d Equation de Debye
A simple way to calculate the diffraction diagram of a
collection of nanometer-scale clusters with known geometry
but random orientation and position is to use the Debye
scattering equation.
I(q)=ij f0i(q)f0j(q)sin(qRij)/qRij
• In this equation, I(q) is the angle dependent intensity from coherent
scattering, q bisects the angle between the incident and scattered
directions, which in turn defines the scattering plane.
•
•
• The sums over i and j are over all the atoms, Rij being the distance
between the atom i and j and fi and fj being the angle dependent atomic
scattering factors.
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The energy independent part denoted also f0(q) is in fact the usual form factor
related to (r), the electron density of the atom.
f0(q) = 4 0∞ (r) (sin(qr) /qr) r2dr
Most of the radiation scattered at high q value is due to the electrons of inner
shells of the electron cloud.
f0(q=0) = Z
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Using the Debye formulae, we can evaluate
the diffraction intensities of very small
metallic clusters.
I(q) = i
j f
i(q)f
j(q)sin(qR
ij)/qR
ij
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Chapitre 2.4e Diffraction de nanomatériaux
2 3 4 5 6
N=2057
N=147
N=1415
111
200 220
311
222
N=923
N=561
N=309
N=55
N=13
k(Å-1
)
Inte
nsi
ty (
a.u
.)
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Chapitre 2.4f Formule de Scherrer
2 3 4 5 6
N=2057
N=147
N=1415
111
200 220
311
222
N=923
N=561
N=309
N=55
N=13
k(Å-1
)
Inte
nsi
ty (
a.u
.)
D=K/cos()
D : Dimension moyenne des cristaux
: longueur d’onde
K: facteur de forme
: largeur à mi hauteur de la raie
: position de la raie
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Chapitre 2.4g Le cas de nanocristaux anisotropes
Nanotube (111)
2 3 4 5 6 7 8 9 10
Nanotube (111) N=45Nanotube (111) N=69Nanotube (111) N=95Nanotube (111) N=121Nanotube (111) N=235Nanotube (111) N=335
0
1 105
2 105
3 105
4 105
5 105
6 105
7 105
8 105
111
222
333
2 /d (�-1
)
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NNaannoottuubbee ((000011))
2 3 4 5 6 7 8 9 10
Nanotube (001) N=31
Nanotube (001) N=95
Nanotube (001) N=147
Nanotube (001) N=191
Nanotube (001) N=243
0
5 104
1 105
1,5 105
2 105
2,5 105
3 105
3,5 105
In
ten
sity
200
400
2 /d (�-1
)
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Chapitre 2.4h Application aux apatites
biologiques6
I(q) = i
j f
i(q)f
j(q)sin(qR
ij)/qR
ij
6. A. Guagliardi et al., Debye function analysis and 2D imaging of nanoscaled engineered
bone, Biomaterials 31 (2010) 8289-8298.
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I(q) = i
j f
i(q)f
j(q)sin(qR
ij)/qR
ij
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Flexibilité : Morphologie des nanocristaux générés
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Flexibilité : Morphologie des nanocristaux générés
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7. Bazin et al., Diffraction techniques and vibrational spectroscopy
opportunities to characterise bones, Osteoporos Int (2009) 20:1065–1075.