Composition et propriétés de la nacre

La nacre est un matériau ancestral aux reflets irisés, qui constitue le revêtement intérieur de certaines coquilles de mollusques (huîtres, ormeaux, etc.). Apparu il y a 35 millions d’années, sa composition complexe présente d’étonnantes similitudes et une grande complémentarité avec les tissus vivants, en particulier les tissus humains. Comme le squelette de l’embryon synthétisé dans l’utérus, la nacre est synthétisée par le mollusque dans un espace clos (la cavité extra-palléale).

Emplacement de la nacre

Pinctada Maxima

La coquille (exosquelette) du mollusque bivalve est composée de 3 couches :

  • Couche externe calcitique prismatique

  • Couche moyenne : mélange de calcite et d’aragonite dans laquelle se trouve la ligne aragonitique

  • Couche interne : « tablettes » aragonitiques parallèles à la coquille, associées à la matière organique

C’est cette couche interne qui est connue sous le nom de nacre. Elle révèle une structure complexe organo-minérale, à l’échelle micro et nanométrique, et est constituée de cristaux d’aragonite.

Composition de la nacre

Microstructure de la nacre observée par microscopie électronique

La nacre est composée à 95-97% de fraction minérale, et à 3-5% de fraction organique.

L‘association intime entre les matrices minérale et organique de la nacre donne une ultrastructure en « briques et mortier » où les briques représentent les cristaux d‘aragonite et le mortier, la fraction organique.

95-97% de fraction minérale

(Carbonate de calcium = CaCO3)

Les composants minéraux de la nacre sont nécessaires au métabolisme cellulaire et tissulaire des mammifères.

On retrouve la quasi-totalité de ces composants minéraux chez les mammifères.

3-5% de fraction organique :

1. Protéines :

Les protéines sont composées d’acides aminés essentiels (non synthétisés par le corps humain et qui doivent être apportés par l’alimentation extérieure) et non essentiels (synthétisés par le corps humain). Les principaux acides aminés présents dans la fraction organique de la nacre jouent un rôle prépondérant dans le métabolisme cellulaire et tissulaire, dans l’édification, la croissance et la réparation de l’organisme et sont impliqués dans le vieillissement cellulaire.

Les protéines peuvent s’associer à d’autres molécules pour former :

  • des glycoprotéines pour donner des facteurs de croissance (de faible poids moléculaire – « growth factor like »)
    Rôle : assurent de nombreuses fonctions physiologiques (notamment dans l’angiogenèse
    et l’ostéogénèse)
    Parmi les glycoprotéines, la nacre contient en particulier :

    • des protéoglycanes : régulent de nombreuses activités cellulaires, telles que la prolifération, la différenciation, l’adhérence et la migration des cellules. Les protéoglycanes ont des propriétés hydratantes et favorisent la protection contre les UVA et les UVB
    • des cytokines : produites lors d’une infection microbienne ou d’une inflammation, elles activent les cellules immunitaires (macrophages et lymphocytes T)
  • des glycosaminoglycanes (ou mucopolysaccharides) : composés entrant, entre autres, dans la composition du cartilage et de l’acide hyaluronique du tissu conjonctif
    Rôle : lubrifiant constituant de l’acide hyaluronique présent dans pratiquement tous les tissus, en raison de leur forte capacité de rétention d’eau
  • des métalloprotéines : jouent un rôle dans les réactions immunitaires
    Rôle : catalyse / accélération des réactions biologiques
  • des aminoglycosides  ayant des propriétés « antibiomimetic like »
    Rôle : antimicrobien

2. Pigments, dont :

  • des caroténoïdes

Rôle : pigments naturels à l’origine de la coloration jaune-rouge, responsables de la protection contre les UV et de la coloration des téguments (peau, ongles, cheveux, griffes, poils) + antioxydant.

  • des mélanines

Rôle : pigments biologiques foncés responsables de la protection contre les UV et de la coloration des téguments (peau, ongles, cheveux, griffes, poils) + antioxydant.

3. Lipides et acides gras (mono et polyinsaturés)

Rôle : molécules lubrifiantes et hydratantes entrant dans la constitution des cellules et dans la fabrication de certaines hormones. Ils participent au maintien de l’intégrité fonctionnelle et structurelle de la membrane cellulaire

En synthèse, la fraction organique de la nacre renferme des substances stimulant l’ostéogénèse (Lopez et al., 1994) :

  • des molécules stimulant l’activité du tissu osseux, en agissant sur la différenciation des cellules formatrices d’os et sur la minéralisation
  • des molécules « signal », actives sur les ostéoclastes et qui peuvent activer l’ostéogénèse des cellules de la moelle osseuse (Lamghari et al., 1999)

Les composants organiques de la nacre agissent sur la régénération épidermique et sur l’hydratation de la peau :

  • Calcium permettant la stimulation des fibroblastes du derme (Morvan, 2009)
  • Composants impliqués dans l’adhésion et la communication cellulaire
  • Protéines impliquées dans la synthèse de collagène type I et III (Lopez et al., 2000)
  • Lipides pour le renforcement de la barrière épidermique (Rousseau et al., 2006)

Propriétés de la nacre

La nacre contient les mêmes constituants biologiques que ceux de l’humain. Elle présente de multiples propriétés :

Propriétés biologique, mécanique et physique de la nacre

Les propriétés biologiques de la nacre sont particulièrement intéressantes pour la réparation et la régénération des tissus mous.

  • Biocompatibilité : désigne la capacité d’un matériau à être accepté par le milieu biologique dans lequel il est implanté et à ne pas le dégrader. Les produits de dégradation de la nacre (eau, CO2, Ca2+) n’induisent pas de toxicité pour l’organisme
  • Angiogenèse : processus physiologique de formation et de croissance de néo-vaisseaux sanguins sous la dépendance de facteurs de croissance
  • Neurogénèse : processus physiologique de formation et de croissance de neurones, à partir de cellules souches, sous la dépendance de facteurs de croissance / glycoprotéines de faible poids moléculaire
  • Ostéoinduction : processus physiologique consécutif à une fracture, une perte de substance, ou une lésion osseuse, conduisant à la libération, la prolifération et la maturation de cellules indifférenciées pour la production d’ostéoblastes

Les propriétés mécaniques de la nacre sont particulièrement intéressantes pour la réparation et la régénération des tissus durs (os et cartilage) :

  • Résistance mécanique : supérieure au titane, par exemple, d’où l’intérêt de travailler sur une alternative, avec des implants dentaires en nacre
  • Elasticité : la nacre a un module d’élasticité supérieur à celui de l’os humain

Les propriétés physiques de la nacre sont, elles-aussi, particulièrement intéressantes pour la réparation et la régénération des tissus durs (os et cartilage) :

  • Ostéoconduction : processus physiologique permettant la circulation des éléments cellulaires nécessaires à la réparation d’une perte de substance. La nacre sous forme pulvérulente, à une granulométrie définie, favorise une porosité nécessaire à la circulation et à la prolifération de néo-vaisseaux et des éléments cellulaires nécessaires à la réparation du tissu lésé

Parmi les propriétés les plus remarquables de la nacre, en voici deux :

  • Mise sous la régulation systémique

La propriété pléiotropique antagoniste de la nacre permet aux tissus en contact de profiter de toutes les propriétés et fonctions dont ils ont besoin : pas de risque de surdosage (les tissus n’utilisent que ce dont ils ont besoin provenant de la nacre), et multiples utilisations pour une même fonction (le tissu receveur adapte son utilisation de la nacre, en fonction de ses besoins).

  • Comportement ostéomimétique

A ce jour, la nacre est le seul biomatériau connu à être ostéomimétique : 

    • Se comporte comme une greffe autologue1
    • Se place sous le contrôle de la régulation systémique2 du site receveur (dit bénéficiaire)
    • Possède une partie minérale et organique lui conférant des propriétés mécaniques proche de celles de l’os
    • Possède des propriétés uniques d’angiogenèse3

(1) Greffe où le donneur et le receveur sont la même personne
(2) Capacité à s’adapter aux caractéristiques du site receveur
(3) Processus de formation et de prolifération de nouveaux vaisseaux sanguins

Comportement ostéomimétique de la nacre