Magnesium-based biodegradable materials : from surface functionalization to cellular evaluation

par Laura Catalina Córdoba Román

Thèse de doctorat en Physique et Chimie des Matériaux

Sous la direction de Thibaud Coradin et de Fátima Montemor.

Soutenue le 04-07-2016

à Paris 6 en cotutelle avec l'Instituto superior técnico (Lisbonne) , dans le cadre de École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris) , en partenariat avec Laboratoire de Chimie de la Matière Condensée de Paris (laboratoire) .

Le jury était composé de Emmanuel Belamie, Johanes Matheus Cornelis Mol, Ludovic Bellot-Gurlet, Maria Teresa Nogueira Leal Da Silva Duarte, João Carlos Salvador Santos Fernandes.

  • Titre traduit

    Les alliages magnésium biodégradables : fonctionnalisation de la surface et de l'évaluation cellulaire


  • Résumé

    Les alliages de Magnésium (Mg) sont une nouvelle génération de matériaux biodégradables ayant une bonne ostéointégration et un module d'élasticité similaire à celle de l'os humain. Ces propriétés rendent ces matériaux attrayant pour produire des implants temporaires pour la réparation osseuse. Toutefois, les alliages Mg se dégradent rapidement in vivo, rendant nécessaire de contrôler leur vitesse de corrosion pour accompagner la régénération tissulaire. Parmi les approches proposées pour réduire la corrosion et la biocompatibilité des alliages Mg, les plus utilisées sont les couches de conversion et les revêtements de surface. Dans ce travail une approche synergique qui combine une réduction du taux de corrosion avec l'amélioration de la biocompatibilité des alliages Mg est proposée. De nouveaux revêtements bicouches ont été déposés sur la surface d'alliages AZ31 et ZE41 : (i) un revêtement de silane-TiO2 déposé par dip-coating et (ii) des couches supérieures de collagène de type I et/ou de chitosane. Le revêtement inférieur a été efficace pour réduire la corrosion des alliages dans un fluide corporel simulé et en milieu de culture. La culture cellulaire in vitro de fibroblastes et ostéoblastes, a révélé que le dépôt additionnel de biopolymères a amélioré la réponse biologique du revêtement de silane-TiO2. Ces résultats montrent qu'il existe un effet combiné des revêtements bicouches et de la composition des alliages sur la réponse à la corrosion et sur le comportement cellulaire. Ce travail apporte donc une nouvelle contribution à la compréhension de l'évolution de la corrosion des alliages Mg dans des environnements biologiques.


  • Résumé

    Magnesium (Mg) alloys are a new generation of biodegradable materials with good osseointegration and elastic modulus similar to that of human bone. These properties make them attractive materials to produce biodegradable implants for bone repairing applications that require temporary support. However, Mg alloys degrade rapidly in the in vivo environment making necessary to control their corrosion rate to accompany the tissue healing processes. Several approaches have been proposed for reducing corrosion rate and improving biocompatibility of Mg alloys. The most used ones are conversion films and surface coatings. This project proposes a synergistic approach that combines both decreased corrosion rate and improved biocompatibility of Mg alloys: we developed novel bi-layered coatings to functionalize the surface of AZ31 and ZE41 Mg alloys for bone repair applications. First, a bottom silane-TiO2 coating was formulated and deposited on both alloys by the dip-coating technique. The silane-based coating was effective in slowing down the corrosion rate of the substrates in simulated body fluid (SBF) and in Dulbecco’s Modified Eagle’s Medium (DMEM). Secondly, top layers of type I collagen and/or chitosan were developed. Cell in vitro tests, with fibroblasts and osteoblasts, revealed that the biopolymers enhanced the biological response of the silane-TiO2 coating. Furthermore, the findings showed that there is a combined effect of the bi-layered coatings and the nature of the alloys on their final corrosion response and on the fate of the cells. In the same way, this work contributes to elucidating corrosion processes of Mg alloys in organic solutions in the long-term.


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