Développement, caractérisation et optimisation d'un bioréacteur dédié à la production accélérée de substituts osseux biohybrides implantables

par Benoît Carpentier

Thèse de doctorat en Bio-ingénierie, biomécanique, biomatériaux

Sous la direction de Cécile Legallais et de Pierre Layrolle.

Soutenue en 2009

à Compiègne .


  • Résumé

    L'ingénierie tissulaire osseuse vise la production de substituts osseux implantables capables de promouvoir la repousse et la consolidation osseuses. L'objectif de ce travail consistait à développer, caractériser et optimiser un bioréacteur dédié à la production de tels substituts. Afin de permettre l'envahissement cellulaire et vasculaire de l'implant en période post-implantatoire, le choix du biomatériau s'est porté sur des granules de phosphate de calcium biphasé de 80 à 200 um. La configuration la plus adaptée (géométrie de bioréacteur, agencement du biomatériau) à la culture de cellules sur microparticules a été déterminée suite à des études expérimentales et numériques. Avec des microbilles de verre de diamètre similaire, la culture sur monocouche en chambre parallélépipédique semble la configuration la plus favorable. La culture de MC3T3 sur monocouches de granules en conditions statique et dynamique a permis de définir les conditions de culture propices à la formation tissulaire et d'évaluer l'effet du flux et des contraintes mécaniques. Les conditions optimales ont été appliquées aux cellules mésenchymateuses de moelle osseuse de rat, aboutissant à la formation rapide de feuillets tissulaires. Le flux semble réduire la formation de matrice organique et stimuler la différenciation et la minéralisation osseuses. Ce concept de « feuillets tissulaires osseux » paraît prometteur en raison de la simplicité de l'étape de « scaling-up » nécessaire à la production de volumes cliniquement pertinents. Leur adaptabilité à des défauts osseux de géométrie complexe et leur potentiel à promouvoir la formation osseuse en font des candidats de choix pour une utilisation médicale.

  • Titre traduit

    Development, characterization and optimization of a bioreactor-based system dedicated to the production of bone graft substitutes


  • Résumé

    Bone tissue engineering aims at producing implantable bone substitutes capable of promoting bone reconstruction and healing. The aim of the present work was to develop, characterize and optimize a bioreactor-based system dedicated to the production of such substitutes. In order to favor cell invasion and vessel ingrowth post-implantation, 80-200 um biphasic calcium 3 phosphate granules were chosen as a biomaterial. The most appropriate configuration (bioreactor geometry, biomaterial arrangement) for culturing cells on microparticles was determined by means of experimental and numerical studies. Using glass microbeads with similar diameters, monolayers within plane-parallel bioreactor chambers appear to be the most favorable environment. The culture of MC3T3 cells on monolayers of granules under both static and dynamic conditions allowed us to define the appropriate setting for promoting bone tissue formation and to evaluate the impact of fluid flow. The optimal conditions were applied to rat bone marrow mesenchymal cells, showing very satisfying cell proliferation and matrix synthesis. Fluid flow seems to reduce matrix synthesis and promote cell differentiation and bone mineralization. Bone tissue sheets were successfully obtained after 5 weeks, proving the potential of the concept for the production of bone substitutes under sterile and reproducible conditions. The “bone tissue sheet concept” seems promising, owing to the easiness of the “scaling-up” phase necessary to produce clinically relevant volumes. Due to their adaptability to various defect geometries and potential for promoting bone formation, such substitutes appear to be valuable candidates for medical use.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (253 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. 180 réf.

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  • Bibliothèque : Université de Technologie de Compiègne. Service Commun de la Documentation.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 2009 CAR 1827
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