Nanocaractérisation par spectroscopies d'émission X et de pertes d'énergie des électrons des réactions physico-chimiques à l'interface verre bioactif / fluide biologique

Cette thèse concerne l'étude des matériaux bioactifs et de leurs propriétés de créer un environnement favorable à la régénération osseuse. Nous nous intéressons à l'étude locale des réactions physico-chimiques précoces se produisant à l'interface verre bioactif / milieu biologique. Les méthodes de caractérisation utilisées sont la microscopie électronique à transmission associée aux spectroscopies de dispersion d'énergie de photons X (EDXS) et de pertes d'énergie des électrons (EELS). Nous avons utilisé la spectrométrie EDXS avec la méthode de quantification de Cliff et Lorimer. Afin d'optimiser les corrections d'absorption pour les éléments légers, nous avons développé un système itéractif de corrections de l'absorption utilisant la valeur expérimentale de l'épaisseur relative locale de l'échantillon mesurée par EELS. Cela a permis de déterminer avec précision les rapports atomiques O/Si dans les différentes zones de l'échantillon. Pour conforter ces mesures, nous avons utilisé l'EELS qui par l'intermédiaire des structures ELNES sur le seuil L2,3 du silicium peut renseigner sur son environnement chimique. Ces deux approches nous ont permis de mettre en évidence l'existence de différentes couches périphériques à l'interface verre bioactif (A9) / fluide biologique (DMEM) : une couche en SiO2, une fine couche temporaire contenant des groupements Si(OH)4, qui permettent la fixation des ions Ca2+. Avec l'arrivée du phospore, nous aboutissons ainsi à la formation d'une couche riche en calcium et en phospore. Au fur et à mesure que cette couche précipite en une apatite, la couche contenant des groupements Si(OH)4 disparaît rapidement par repolymérisation sous la forme SiO2In this thesis we study bioactive materials and their properties to create a favourable environment for the osseous regeneration. More precisely, we are interested in the local and early physicochemical reactions, which occur at the interface between the bioactive glass and the biological environment. The characterisation methods used are transmission electron microscopy associated with energy dispersive X-rays spectroscopy (EDXS) and energy loss electron spectroscopy (EELS). We chose the Cliff and Lorimer method to quantify the elements by EDXS. To optimise the absorption corrections for the light elements, we developed an iterative process for absorption corrections using the experimental value of the local relative specimen thickness measured by EELS. Thus we determined precisely the O/Si atomic ratio in the different areas of the sample. To confirm these measurements, we used EELS to analyse the chemical environment of silicon by the study of the ELNES structures recorded on the L2,3 threshold of silicon. These two approaches allow to demonstrate the existence of many peripheral layers at the bioactive glass (A9) / biological fluid (DMEM) interface: a SiO2 rich layer, a fine temporary layer containing Si(OH)4 groups leading to bonds with calcium ions. Finally by the arrival of phosphorus groups, a calcium and phosphorus rich layer is formed. As this layer precipitates in an apatite, the fine layer containing of the Si(OH)4 groups disappears quickly by repolymerisation in SiO2.REIMS-BU Sciences (514542101) / SudocSudocFranceF

Contribution à la microanalyse X des revêtements superficiels. Application aux biomatériaux

L objet de l étude concerne la caractérisation physico-chimique des revêtements superficiels par microanalyse x et son application a l étude des revêtements prothétiques phosphocalciques. Nous avons étudies les mécanismes de formation des phosphates de calcium par electrodeposition. Nous avons vérifie les hypothèses avancées par une étude portant sur l influence de la densité de courant sur les phosphates de calcium électrodéposés. Pour caractériser ces revêtements, nous avons développé une méthodologie en microanalyse x basée sur la complémentarité de la microscopie électronique a balayage et de la microscopie électronique a balayage transmission. Par la suite, nous nous sommes intéressés aux cartographies quantitatives des films minces sur substrats. Nous avons illustre l impact de l hétérogénéité du substrat sur la quantification des films minces ; puis, nous avons présente TF_Quantif, l algorithme de quantification (concentrations et épaisseurs) que nous préconisons pour s affranchir de ces problèmes. Nous avons aussi mené une étude théorique pour déterminer les limites d application de TF_Quantif. Enfin, nous avons présenté les développements logiciels et instrumentaux nécessaires a l utilisation de TF_Quantif et nous avons effectue des profils et cartographies quantitatifs sur des films minces (de composition et d épaisseur connue) sur substrats hétérogènes ainsi que sur un revêtement de phosphate de calcium. Les résultats ont été compares avec ceux obtenus par un logiciel de quantification que nous avons développé a partir du logiciel commercial STRATAGem (SAMx, France).This work deals with electron probe microanalysis of thin films and its application to thickness and concentration determination in the case of prosthetic calcium phosphate coatings. In a first part, we have studied the formation mechanisms of calcium phosphate elaborated by electrodeposition. We carried out a methodology based on the complementarities of scanning electron microscopy and scanning transmission microscopy both associated to x-ray microanalysis. This method allowed us to verify our hypothesis about calcium phosphate formation and showed that the current density is directly connected to the kind of electrodeposited calcium phosphate. In a second part, we have carried out quantitative elemental mapping of thin film on heterogeneous substrate. Through different examples, we showed that substrate heterogeneity has a direct influence on the thin film quantification. We developed a new quantification algorithm called tf_quantif which allows us removing substrate effects during the analysis associated to a theoretical approach which determine the thickness limit of this method. Moreover, we presented the quantification software and experimental setup developed in order to use tf_quantif . Finally, we applied tf_quantif on quantitive profiles and maps on several kinds of thin films on heterogeneous substrate (including electrodeposited calcium phosphate coatings). The results were compared to those obtained from commercial software (stratagem, samx, france). We showed that our quantification algorithm gave better results in the case of thickness determination and could be successfully applied in the case of quantitative maps of thin film on heterogeneous substrate.REIMS-BU Sciences (514542101) / SudocSudocFranceF

Analysis of EXELFS modulations in EELS above the K-shell of silicon at 1 MeV in the HVEM

EXELFS experiments performed at 1 MeV in a high-voltage electron microscope (HVEM) under relatively straightforward conditions on several types of Si thin films have been analysed. It has been observed that the presence of a contamination layer, such as oxide or carbide, drastically affects the EXELFS oscillations past the Si K-edge. The visibility of the second neighbour distance of silicon is not clearly seen in specimens which are composed of several phases, and the expected accuracy of ± 0.05 Å in the first-neighbour distance is not reached. Depending on the K-range chosen for analysis, the structural information arising from the weakly present phase can be enhanced or removed. Finally, we show that the thicker specimens after HF cleaning give best results because of the small relative amount of oxide. In that case, however, the calculated distances for the first two distances are slightly higher than expected.Des analyses EXELFS ont été réalisées sur différents films de silicium à 1 MeV dans des conditions rigoureuses. Nous avons observé que la présence de couches de contamination, telles que des oxydes ou des carbures de silicium, affectaient considérablement les oscillations EXELFS juste après le seuil K du silicium. La mise en évidence de la deuxième distance de coordination dans le silicium composé de plusieurs phases est beaucoup plus délicate, et la précision escomptée de ± 0.05 Å sur la mesure de la première distance n'est pas atteinte. Selon la gamme des valeurs des fréquences K retenues pour l'analyse, l'information structurale de la phase de plus faible concentration peut être révélée ou masquée. Enfin, nous montrons que pour des échantillons épais, nettoyés par une solution de HF, les résultats sont meilleurs à cause de la plus faible proportion d'oxydes. Dans ce cas, par ailleurs, les distances calculées pour les deux premières couches de coordination sont légèrement supérieures à celles attendues

Light elements quantification in stimulated cells cryosections studied by electron probe microanalysis

International audienceThe quantification of intracellular light elements such as carbon, nitrogen and oxygen may be useful in understanding the biological mechanisms, for example the generation of nitric oxide which is involved in apoptosis and inflammatory reaction. Electron energy loss spectroscopy (EELS) coupled with scanning transmission electron microscopy is a useful method to detect light elements in thin cryosections. Recent developments of X-ray detectors with ultra-thin protection windows allows the detection of such elements by energy dispersive X-ray spectroscopy. In the present study, we have demonstrated using both methods that the stimulation of BV-2 murine microglial cell line by g-interferon and lipopolysaccharide leads to the increase of intracellular oxygen concentration and no change in the intracellular nitrogen concentration. This indicates the use of exogeneous molecular oxygen in response to the stimulation. But the increase of oxygen concentration detected could not be only due to NO expression because the NO production was 1000 times less than the oxygen concentration increase observed.

Potentialités de la microscopie électronique analytique à transmission pour l'étude de l'interface os/implant

International audienc

New fast chemically assisted ion beam etching (CAIBE) technique for preparation of TEM specimen from silicon

A new fast Chemically Assisted Ion Beam Etching (CAIBE) technique is reported for the preparation of silicon plane view and cross-sectional samples for high resolution transmission electron microscopy (HREM) without any detectable artefacts. In this technique a flux of iodine vapours derived from an ampoule of elemental iodine is directed on the sample surface (mechanically thinned to <50 μm) along with Ar+ ion beam at a shallow angle. The etching (thinning) is obtained by combination of physical sputtering and chemical process, thus higher etch rate anf large electron transparent area are obtained. In the presence of iodine the etch rate is increased by a factor of 3-4 times in comparison to only Ar+ ion beam under identical conditions. No artefacts are introduced due to the presence of iodine as confirmed by HREM and surface analysis studies.Nous avons utilisé l'amincissement ionique assisté chimiquement pour préparer des échantillons de silicium (111), ausssi bien en coupes planes que transversales, à l'observation en microscopie électronique à haute résolution. Pour cela, un flux d'iode gazeux est dirigé sur l'échantillon à amincir en même temps qu'un faisceau d'ions Ar+ attaque la surface sous incidence rasante (<20°). L'amincissement résulte alors de l'érosion ionique et de la réaction chimique entre l'iode et le silicium. Cette technique permet d'accroitre considérablement la vitesse d'amincissement : la présence du flux d'iode gazeux permet de multiplier par 4 la vitesse d'érosion obtenue uniquement par le faisceau d'ions Ar +. D'autre part, la frange transparente observable en microscopie électronique à transmission augmente fortement lorsque l'iode est utilisée : une aire transparente de près de 1mm2 a pu être obtenue alors qu'elle ne dépasse pas quelques μm2 dans les conditions standard d'amincissement. L'observation en microscopie électronique à haute résolution des échantillons a permis de vérifier qu'aucun artéfact n'est introduit lors de la préparation. L'analyse Auger a permis de montrer 1'absence de contamination par l'iode de la surface des échantillons amincis