Dental pulp stem cells adhesion, growth and differentiation on porous silicon scaffolds

par Pierre-Yves Collart Dutilleul

Thèse de doctorat en Biologie Santé

  • Titre traduit

    Adhésion, croissance et différenciation de cellules souches pulpaires sur silicium poreux


  • Résumé

    Le silicium poreux est un biomatériau prometteur pour l'ingénierie tissulaire car il est non toxique et biorésorbable. Des modifications de surface permettent de contrôler sa vitesse de dégradation et peuvent favoriser l'adhésion cellulaire. Les cellules souches de la pulpe dentaire (DPSC) sont des cellules souches mésenchymateuses retrouvées dans la pulpe dentaire, à l'intérieur des dents, et constituent une source accessible de cellules souches. Regrouper les capacités de prolifération et différenciation des DPSC avec les propriétés morphologiques et biochimiques du pSi représente une approche intéressante pour des applications thérapeutiques de médecine régénératrice. Dans cette thèse, nous avons étudié le comportement de DPSC humaines sur des supports de pSi, avec des pores variant de quelques nanomètres à plusieurs centaines de nanomètres. Nous avons travaillé sur différentes fonctionnalisations chimiques afin d'optimiser l'adhésion cellulaire et de stabiliser le matériau : oxydation thermique, silanisation et hydrosilylation. L'adhésion, la prolifération et la différenciation osseuse ont été évaluées par microscopie à fluorescence, microscopie électronique à balayage, activité enzymatique, tests de prolifération (activité mitotique), immunofluorescence et spectroscopie FTIR. Le pSi avec des pores de 30 à 40 nm de diamètre s'est révélé être le plus approprié pour l'adhésion, la prolifération cellulaire et la différenciation ostéoblastique. De plus, la structure nanométrique et le relargage d'acide silicique par le pSi a démontré un effet positif sur l'induction osseuse et la formation d'une matrice minéralisée. Le pSi est donc apparu comme un matériau prometteur pour l'adhésion de cellules souches mésenchymateuses, que ce soit pour une transplantation immédiate in vivo ou pour expansion et différenciation in vitro.


  • Résumé

    Porous silicon (pSi) is a promising biomaterial for tissue engineering as it is both non-toxic and bioresorbable. Moreover, surface modification can offer control over the degradation rate of pSi and can also promote cell adhesion. Dental pulp stem cells (DPSC) are mesenchymal stem cells found within the teeth and constitute a readily source of stem cells. Coupling the good proliferation and differentiation capacities of DPSC with the textural and chemical properties of the pSi substrates provides an interesting approach for therapeutic use. In this thesis, the behavior of human DPSC is analyzed on pSi substrates presenting pore of various sizes, from few to hundreds nanometers. We investigated different chemical surface treatments, in order to enhance cell adhesion and stabilize the material: thermal oxidation, silanization and hydrosilylation. DPSC adhesion, proliferation and further osteodifferentiation were followed for up to 3 weeks by fluorescence microscopy, scanning electron microscopy (SEM), enzymatic activity assay, BrdU assay for mitotic activity, immunostaining and FTIR spectroscopy. Porous Silicon with pore size ranging from 30 to 40 nm was found to offer the best adhesion, the fastest growth rate for DPSC and the highest osteoinductive effect. Moreover, the pSi nanostructure and the release of silicic acid had a positive effect on precursor cells osteodifferentiation and mineralized matrix formation. Porous silicon appeared to be an appropriate biomaterial for mesenchymal stem cells adhesion and immediate in vivo transplantation, or for long term in vitro culture, for stem cells proliferation and differentiation.


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