Biomatériaux multifonctionnels à base de particules coeur-coquille d'apatites biomimétiques : vers des substituts osseux antibactériens/ostéogéniques intelligents

Multifunctional biomaterials based on biomimetic apatite core-shell particles : towards smart antibacterial/osteogenic bone substitutes

• Auteur / Autrice : Edoardo Cianflone
• Direction : Christophe Drouet, Fabien Brouillet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science et Génie des Matériaux
• Date : Soutenance le 14/12/2023
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Inter-universitaire de Recherche et d’Ingénierie des Matériaux (Toulouse ; 1999-....)
• Jury : Président / Présidente : Christine Frances
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Drouet, Fabien Brouillet, Christine Frances, Maria Canillas Perez, Nicola Döbelin, David Grossin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Paola Palmero, Janis Locs

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux

Santé

Antibiotiques

Mots clés libres

Fonctionnalisation

Substitut osseux

Apatite

Coeur-coquille

Antibactérien

Composite

Functionalization

Bone substitute

Apatite

Core-shell

Antibacterial

Composite

Résumé

Au 20e siècle, d’importants progrès ont radicalement changé l’histoire du monde, notamment via la découverte des antibiotiques. Au 21e siècle, cependant, un défi majeur concerne la résistance des agents pathogènes à leur égard, en partie due à des décennies de mauvaise utilisation des antibiotiques favorisant l’évolution de souches résistantes. L’ECDC prédit que les maladies liées à l’antibio-résistance seront responsable de plus de décès que les cancers d’ici 2050. En outre, la Banque mondiale prévoit un impact sur les systèmes de santé comparable à la crise économique de 2008. Cette menace est particulièrement préoccupante pour les chirurgies invasives comme en orthopédie. Ce scénario a impulsé la recherche d'alternatives aux antibiotiques, ce qui constitue le champ d'application du réseau européen AIMed (Antimicrobial Integrated Methodologies for orthopedic applications, ITN H2020:www.aimed-itn.eu). Ce réseau européen, qui inclut ces travaux, se concentre sur le développement de matériaux innovants dotés de propriétés antibactériennes, destinés à être utilisés comme implants orthopédiques bioactifs.Le concept développé dans cette thèse visait à préparer, par une approche progressive, des biomatériaux antibactériens innovants à base d'apatites bioinspirées présentant un contrôle spatial de substituants ioniques, en vue d’actions biologiques séquentielles après implantation. Dans un premier temps, des apatites biomimétiques avec ou sans substitution ionique ont été synthétisées, impliquant notamment du cuivre (Cu2+), du zinc (Zn2+) ou de l'argent (Ag+), sur la base de leurs propriétés antimicrobiennes et favorisant l'angiogenèse et/ou la cicatrisation osseuse. Ces composés ont ensuite été utilisés pour préparer des gels physiques très hydratés destinés à être utilisés comme matière première dans un système d’agglomération-séchage (spray drying) muni d’une buse tri-fluide. Ceci a permis de générer des particules d'apatite cœur-coquille avec une double substitution ionique spatialement organisée et un contrôle en taille et morphologie. Par exemple, des microparticules sphériques d’apatite biomimétique substituée avec un cœur enrichi en Cu2+ et une couche externe enrichie en Ag+ ont été obtenues. Les particules ont été caractérisées par diverses techniques complémentaires dont DRX, IRTF, SAA, MEB-FEG/FIB et EDX, et leur capacité de libération d'ions a été suivie dans différentes conditions.Ces particules ont ensuite été utilisées comme charges minérales dans des matrices composites apatite-alginate, ce dernier étant un biopolymère connu pour sa biocompatibilité et son utilisation régulière dans les dispositifs médicaux. Le but ultime du projet étant la réparation osseuse, les matrices 3D ont été fabriqués par congélation-sublimation (freeze-casting), permettant d'obtenir une porosité orientée contrôlée, particulièrement adaptée aux substituts osseux. Les composites ont également été réticulés pour améliorer leurs propriétés mécaniques et comportement en milieu aqueux.Des échantillons aux 3 stades différents (apatites initiales, apatites cœur-coquille et composites) ont aussi été fonctionnalisés avec de la trypsine, une enzyme antibactérienne largement utilisée en biologie cellulaire et pour applications biomédicales.Des évaluations biologiques in vitro ont été réalisées pour évaluer la cytocompatibilité et les propriétés antibactériennes des échantillons. Aucun ne s’est avéré cytotoxique et une croissance cellulaire a été observée dans les composites, montrant un réseau poreux adapté. Les échantillons dopées avec Cu2+ ou Ag+ ont également montré une activité antibactérienne pertinente envers E.Coli et/ou S.Aureus.En proposant, pour la première fois, un concept cœur-coquille basé sur des apatites biomimétiques – et des composites 3D les contenant – pour permettre des actions biologiques séquentielles (antibactérienne puis ostéogénique), ces travaux s'inscrivent dans la génération de substituts osseux dynamiquement bioactifs.

In the 20th century, significant scientific and medical progress changed drastically the world history, including through the discovery of antibiotics. In the 21st century, however, a key challenge concerns the rise of the resistance of pathogens toward them, in part due to decades of misuse of antibiotics favoring the evolution of bacteria toward novel resistant strains. The ECDC foresees that antimicrobial resistance (AMR)-related diseases will be responsible for more deaths than cancers by 2050. Furthermore, the World Bank predicts an economic impact on healthcare comparable to the economic crisis of 2008. This threat is particularly concerning for invasive surgeries as in orthopedics, where the increase of post-operative infections is significant. This scenario led to a boost in the research of alternatives to traditional antibiotics, which is the scope of the AIMed (Antimicrobial Integrated Methodologies for orthopedic applications: www.aimed-itn.eu) European Innovative Training Network (H2020). This European network, that includes this work, focuses on the development of innovative materials with antibacterial properties for use as orthopedic bioactive implants.The concept developed in this PhD aimed at preparing, through a progressive approach, some innovative antibacterial biomaterials based on bio-inspired apatites exhibiting a spatial control of ionic substituents, in view of displaying subsequent biological actions after implantation. At first, biomimetic apatites with or without ion substitution were synthesized, involving in particular either copper (Cu2+), zinc (Zn2+) or silver (Ag+), selected not only for their antimicrobial potential but also for their ability to favor angiogenesis and/or bone healing. These compounds were then used to prepare highly hydrated physical gels to be used as feedstock in a 3-fluid nozzle spray dryer, with the view to generate core-shell apatite particles with a dual, spatially organized, ionic substitution and a control in size and morphology. For example, spherical microparticles of substituted biomimetic apatite with a core enriched with Cu2+ and a shell enriched with Ag+ were generated. The particles were thoroughly characterized through a set of complementary techniques including XRD, FTIR, AAS, FESEM/FIB milling and EDX, and their ion release ability was followed in different aqueous conditions/media.These inorganic particles were then used as mineral charges in apatite-alginate composite scaffolds, the latter being a biopolymer known for its biocompatibility and regular use in medical devices. Since the ultimate goal of the project is bone repair, the 3D scaffolds were fabricated using the freeze-casting technique, allowing us to obtain a controlled oriented porosity, particularly suitable for bone substitutes. The scaffolds were also cross-linked to enhance their mechanical properties and behavior in aqueous media.Samples at the 3 different stages (starting biomimetic apatites, spray-dried dually substituted particles and composite scaffolds) were also functionalized with trypsin, an antibacterial enzyme of the protease family, widely used in cell biology and gaining interest for biomedical applications.In vitro biological evaluations were carried out to assess the cytocompatibility and antibacterial behavior of the prepared compounds. No sample was found cytotoxic, and a gradual cell growth was observed in the scaffolds, showing that the pore size is suitable for this purpose. Depending on the structure and on the substitution ratio in antibacterial ions Cu2+ and Ag+, the samples also showed relevant antibacterial activity toward E. Coli and/or S. Aureus. By proposing, for the first time, a core-shell concept based on biomimetic apatites – and 3D scaffolds containing them – to allow subsequent biological actions (first antibacterial, then osteogenic), this work enters in the appealing generation of dynamically-bioactive bone substitutes of clinical relevance.