Matériaux biocomposites : structuration multi-échelle du collagène et de nanoparticules de silice bio-fonctionnelles

Biocomposite materials : multi-scale structuration of collagen and bio-functional silica nanoparticle

• Auteur / Autrice : Nicolas Debons
• Direction : Carole Aimé
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 17/07/2020
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Chimie de la matière condensée de Paris (1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Fabienne Gauffre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jessem Landoulsi, Thibaud Coradin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Claire Mangeney, Emmanuel Belamie
• DOI : 10.70675/94d716fczf19az4d09zb3cez3f578c305ff8

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biomatériaux

Aspect moléculaire

Matériaux nanostructurés

Autoassemblage

Nanoparticules de silice

Biopolymères

Surfaces

Ligands (biochimie)

Collagène

Mots clés libres

Matériaux

Biocomposites

Structuration

Multi-échelle

Collagène

Nanoparticules

Silice

Biofonctionnalisation

Collagen

Silica nanoparticles

Multi-scale structuration

Résumé

Cette thèse a pour enjeu le développement de biomatériaux modulables pour l’ingénierie tissulaire. Trois types de biocomposites sont présentés, sous forme de filaments ou de membranes autoportées présentant des fibres alignées ou non. Le collagène, principal constituant des tissus conjonctifs, en est la matrice hôte. Ce biopolymère fournit l’environnement structurel et biochimique adéquat pour les cellules. Nous avons également ajouté des nanoparticules de silice (SiNPs) bio-fonctionnalisées qui jouent le rôle de plateformes multifonctionnelles, afin de moduler la topologie interne des biocomposites et/ou la présentation de ligands bioactifs. Par cette approche bionanocomposite, nous avons cherché à améliorer la réponse cellulaire en présentant de manière optimale aux cellules ces signaux structurels et/ou fonctionnels. En recherchant l’organisation moléculaire idéale qui mènerait à une synergie entre structure et fonction, nous avons montré que l’ingénierie de surface des SiNPs était un paramètre clé pour moduler les propriétés de ces biomatériaux. Nous avons pour cela développé une approche multi-échelle, de l’ingénierie de surface des SiNPs jusqu’à la modulation des interactions cellule-biomatériau, en passant par l’auto-assemblage hiérarchique du collagène en une matrice extracellulaire biomimétique. Dans le contexte de SiNPs présentant des domaines fonctionnels, nous avons aussi développé une technique de caractérisation de la structuration nanométrique de la surface en utilisant des colloïdes d’or.

This work has been devoted to the design and synthesis of tunable biomaterials for tissue engineering. We have developed three types of collagen-based biocomposites, as filaments or self-supported membranes with fibers aligned or not. The host matrix is constituted by collagen, the main biopolymer in connective tissues, which naturally provides suitable structural environment to the cells together with intrinsic biochemical signals. Moreover, bio-functionalized silica nanoparticles (SiNPs) were added as multifunctional platforms to further modulate the inner topology of the composite scaffold and/or exhibit bioactive ligands. This bionanocomposite approach aimed at presenting at best structural and/or functional cues for enhanced cell bioactivity. The final goal of our studies was to find the ideal molecular organization in order to create a synergy between structure and function. To do so, we have developed a multi-scale approach, from SiNP surface engineering to the modulation of cell-biomaterial interactions, by way of collagen hierarchical self-assembly to a biomimetic extracellular matrix. SiNP surface engineering proved to be at the basis of biomaterials modularity. In the context of SiNPs presenting functional domains, we also focused on the nanoscale structuration of SiNP surface. To this aim, we developed a gold-tag spatial characterization technique with carboxylate-modified gold colloids in order to reach a high degree of spatial resolution.