Microstructuration of nanofibrous membranes by electrospinning : application to tissue engineering

par Salima Nedjari

Thèse de doctorat en Chimie physique

Sous la direction de Guy Schlatter.

Le président du jury était Luc Avérous.

Les rapporteurs étaient Karen De Clerck, Christophe Egles.

  • Titre traduit

    Micro-structuration de membranes nanofibreuses par électrospinning : application à l'ingénierie tissulaire


  • Résumé

    L’objectif de cette thèse était de développer de nouveaux biomatériaux nanofibreux architecturés (2D ou 3D) grâce à la méthode d’électrospinning puis d’étudier l’influence de ces structures nanofibreuses sur le comportement des cellules osseuses. L’électrospinning est une technique qui permet d’obtenir des nanofibres en projetant sous l’action d’un champ électrique intense une solution de polymère sur un collecteur. Les nanofibres sont alors généralement disposées aléatoirement sous forme de mats (ou scaffolds). Ces scaffolds trouvent des applications en ingénierie tissulaire grâce à leur structure mimant la matrice extracellulaire des tissus vivants. Toutefois, il a été montré que lorsque le collecteur est micro-structuré, il est alors possible de contrôler l’organisation des fibres lors de leur dépôt grâce à la perturbation locale du champ électrique au voisinage de la surface du collecteur. Ces collecteurs architecturés jouent ainsi le rôle de « templates » électrostatiques. Dans un premier temps, nous avons développé des scaffolds 2D nanofibreux monocomposants en forme de nids d’abeilles grâce à l’utilisation d’un collecteur micro-structuré en nids d’abeilles lors du procédé d’électrospinning. Ces scaffolds ont été développés à partir de deux biopolyesters le poly(ε-caprolactone) (PCL) ou le poly(lactic acid) (PLA). Nous avons prouvé que la morphologie des nanofibres de PCL (distribution bimodale du diamètre des fibres) conduisait à un scaffold présentant un relief beaucoup plus marqué alors qu’avec les fibres de PLA, qui présentent une distribution monomodale du diamètre des fibres, les scaffolds obtenus sont beaucoup plus plats. Nous avons montré qu’il est possible de contrôler l’organisation spatiale de cellules osseuses de type MG-63, des ostéoblastes, en jouant sur le relief et l’architecture du scaffold. Puis, nous avons démontré qu’en couplant la micro-structuration des nanofibres de PCL (par l’utilisation d’un collecteur en nid d’abeilles lors du procédé d’électrospinning) avec les propriétés d’auto-assemblage du PCL, nous pouvions élaborer de nouveaux scaffolds nanofibreux 3D ayant la particularité de présenter des pores de tailles contrôlées ainsi qu’un gradient de porosité dans l’épaisseur du scaffold. Puis nous nous sommes intéressés à l’élaboration de membranes composites micro-structurées 2D et 3D. En couplant le procédé d’électrospinning avec le procédé d’électrospraying sur des collecteur micro-structurés, nous avons démontré que nous pouvions déposer de manière contrôlée les particules spécialement sur les murs des nids d’abeilles grâce notamment à la présence d’une très fine couche de fibres électrospinnées au préalable sur le collecteur. Cette fine couche de nanofibres joue le rôle de « template électrostatique » pour le dépôt des particules. Nous avons ensuite appliqué cette technique pour développer des membranes composites nanofibreuses bicouches à base de nanofibres de PCL et de microparticules d’hydroxyapatite (HA). Ces membranes composées de 21 microarchitectures différentes (barres, plots, hexagones, labyrinthe) ont ensuite été intégrées dans des mini plaques de culture cellulaire, formant ainsi un nouveau type de biopuce, appelés biochips, qui permettent pour le screening des microarchitectures nanofibreuses. Enfin, en combinant simultanément l’électrospinning de nanofibres et l’électrospraying de particules sur des collecteur micro-structurés en nid d’abeilles, des scaffolds composites 3D présentant des pores cylindriques de tailles contrôlées ont été élaborés.


  • Résumé

    The aim of this thesis was to develop new architectured nanofibrous biomaterials (2D or 3D) using the electrospinning method and to study the influence of these nanofibrous structures on bone cells behaviors. Electrospinning is a technique allowing the production of nanofibers by projecting, under the action of a strong electric field, a polymer solution on a collector. The nanofibers are generally randomly deposited and form mats or scaffolds. These scaffolds are interesting for tissue engineering applications because of their structure mimicking the extracellular matrix of living tissues. However, it has been shown that when the collector is microstructured, it is possible to control the organization of the fibers during their deposition through the local perturbation of the electric field at the vicinity of the surface of the collector. These micropatterned collectors act as "electrostatic templates". First, 2D honeycomb nanofibrous scaffolds were elaborated using micropatterned honeycomb collectors during the electrospinning process. These scaffolds were made either with poly(ε-caprolactone) (PCL) or poly(lactic acid) (PLA). We showed that the morphology of the PCL nanofibers (bimodal distribution of the fiber diameter) led to a scaffold with a strong relief. Despite, with PLA fibers which presented a monomodal distribution of the fiber diameter, the obtained scaffolds were much flatter. It was possible to control the spatial organization of bone-like cells MG-63 (osteoblasts), playing on the relief and the architecture of the scaffold. Subsequently, 3D materials were elaborated using micropatterned collectors in order to open new paths for the development of filling materials for bone regeneration. Microstructuration of PCL nanofibers (by the use of micropatterned honeycomb collector during the electrospinning process) coupled with the self-assembling properties of the PCL lead to the development of new 3D nanofibrous scaffolds, with controlled pore size and porosity gradient in the thickness of the scaffold. Afterwards, micropatterned composite 2D and 3D membranes were elaborated. By coupling the process of electrospinning with the process of electrospraying on micropatterned collector, we demonstrated that we can deposit the particles in a controlled way, especially on the walls of honeycomb patterns thanks to the presence of a thin fiber layer first deposited on the collector. This thin nanofiber layer plays the role of an "electrostatic template" for the particles deposition. Thereafter, this technique was applied to develop bilayers composite nanofibrous membranes containing PCL nanofibers and hydroxyapatite (HA) microparticles. These membranes consisted of 21 different microarchitectures (bars, blocks, hexagons, maze) were then incorporated into a small cell culture plate, thereby forming a new type of biochip for the screening of nanofibrous architectures. Indeed, these biochips allowed the screening of nanofibrous microarchitectures to identify the most relevant for bone regeneration. It turned out that the HA hexagonal structures (with an average diameter of 300 microns) and circular HA structures (with an average diameter of 150 microns) are the structures that enhance the most the mineralization process of bone cells. Finally, by combining simultaneously electrospinning nanofibers and electrospraying particles on micropatterned honeycomb collector, 3D composite scaffolds were elaborated. It was possible to control the size of cylindrical pores of these 3D composite from tens to hundreds of microns by changing the size of the honeycomb patterns of the collector.



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