Composites made of bioceramic and chitosan physical hydrogel as potential bone substitutes

par Silvia Ramírez Caballero

Thèse de doctorat en Biomatériaux composites

Sous la direction de Laurent Gremillard.

Soutenue le 07-02-2018

à Lyon , dans le cadre de Ecole Doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne) , en partenariat avec Institut national des sciences appliquées de Lyon (Lyon) (établissement opérateur d'inscription) , MATEIS - Matériaux : Ingénierie et Science (Rhône) (laboratoire) et de Matériaux- ingénierie et science [Villeurbanne] / MATEIS (laboratoire) .

Le président du jury était Eduardo Saiz.

Le jury était composé de Laurent Gremillard, Eduardo Saiz, Christèle Combes, Catherine Le Visage, Alexandra Montembault, Solène Tadier.

Les rapporteurs étaient Christèle Combes, Catherine Le Visage.

  • Titre traduit

    Composites à base de biocéramique et d’hydrogel physique de chitosane pour la substitution osseuse


  • Résumé

    Les substituts osseux synthétiques servent au remplacement temporaire des tissus osseux, favorisent la formation, la croissance et la survie de l’os et sont biorésorbables. Aucun matériau monophasé ne remplissant complètement ces exigences, un matériau composite bioinspiré est une alternative possible. L’objectif de cette thèse était par conséquent d’étudier la synthèse et les propriétés de deux composites biocéramiques/biopolymères : des hydrogels physiques de chitosane minéralisés avec de l’apatite, et une hardystonite architecturée imprégnée par des hydrogels physiques de chitosane. Afin d’obtenir le premier matériau, deux approches ont été développées. La première a consisté à fabriquer des hydrogels physiques de chitosane puis à les minéraliser avec de l’apatite ; la formation de microcapillaires se produit avec des conditions de synthèse spécifiques, et les précipités d’apatite ont été trouvés uniquement à la surface des hydrogels. La seconde approche consiste à convertir des suspensions homogènes contenant le phosphate de calcium et le chitosane en hydrogels de chitosane minéralisés par l’apatite. Les suspensions ont été préparées soit avec un mélange simultané, soit avec des mélanges successifs de suspensions phosphates de calcium avec les solutions de chitosane. Des agrégats minéraux plus petits avec une distribution plus uniforme ont été formés avec la méthode des mélanges successifs. Cela est attribué à une meilleure homogénéité, une viscosité plus faible et l’absence de chitosane. De manière générale, trois paramètres influencent les propriétés mécaniques d’hydrogels de chitosane minéralisés : la base utilisée pour la gélification (déterminant la vitesse de gélification : une grande vitesse conserve l’enchevêtrement des chaînes, résultant en une meilleure élasticité) ; la densité de la réticulation physique (cela induit un module de conservation plus important) et la force ionique (qui mène au désenchevêtrement des chaînes de chitosane, donc, à un faible module de conservation). Cette compréhension a permis l’utilisation de ces suspensions de phosphate de calcium-chitosane en tant qu’encre pour l’impression 3D. Les hydrogels de chitosane et les hydrogels minéralisés ne sont pas cytotoxiques. Pour fabriquer le second matériau, une encre pré-céramique a été imprimée en 3D puis frittée pour former une céramique d’hardystonite cristalline. Les scaffolds d’hardystonite ont été imprégnés par la solution de chitosane, converties ensuite en hydrogels physiques de chitosane. A plus forte concentration de chitosane, la viscosité de la solution était plus grande et l’imprégnation de la matrice plus lente. Avec une vitesse de gélification plus importante, qui dépend de la base utilisée pour la gélification, la perte de poids est plus faible pendant la gélification. L’hydrogel de chitosane a partiellement rempli les pores participant au support de charges externes et à la dissipation d’énergie par rupture.


  • Résumé

    Bone substitutes, an approach to attend social demand for bone healing and reparation, are temporary replacements of bone tissue, promote bone formation and growth and finally are bioresorbed. No single material meets these requirements; an alternative is a bioinspired composite material. The objective of this thesis was thus to study the synthesis and properties of two bioceramics/biopolymer composites: chitosan physical hydrogels mineralized with apatite and hardystonite scaffolds impregnated with chitosan physical hydrogels. To obtain the first material, two strategies were developed. The first one consisted in the fabrication of chitosan physical hydrogels and its subsequent mineralization with apatite; the formation of micro-capillaries occurred under particular synthesis conditions, and apatite precipitates were found only on the surface of hydrogels. The second strategy consisted in a simultaneous conversion of chitosan-calcium phosphate suspensions into chitosan-apatite hydrogels. The suspensions were prepared by sequential or simultaneous mixing of calcium and phosphate suspensions with chitosan solutions. Smaller and more uniformly distributed mineral aggregates were formed following sequential mixing, attributed to higher homogeneity, lower viscosity and no-presence of chitosan. This enabled the use of these chitosan-calcium phosphate suspensions as inks for 3-D printing. In general, three factors impacted the mechanical properties of mineralized chitosan hydrogels: the base used for gelation (determining the gelation rate: a higher rate preserved chain entanglement, resulting in higher elasticity); the density of physical crosslinks (hence a higher storage modulus) and the ionic strength (that led to chitosan chain disentanglements, thus, low storage modulus). Chitosan hydrogels and mineralized hydrogels were not cytotoxic, having no deleterious effects on osteoblasts proliferation. To fabricate the second material, pre-ceramic ink was 3-D printed and then sintered to form crystalline hardystonite ceramic. Hardystonite scaffolds were impregnated with chitosan solution that was, next, converted to chitosan physical hydrogel. At higher chitosan concentration, viscosity of solution was higher and scaffold impregnation was lower. At higher gelation rate, which depend on base used for gelation, lower weight loss during gelation. Chitosan hydrogel partially filled the pores contributing to bearing of external loads and to energy dissipated by fracture.


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