Structures poreuses tridimensionnelles de biopolymères pour l'ingénierie tissulaire

porous three-dimensional structures of biopolymers for tissue engineering

• Auteur / Autrice : Julien Ramier
• Direction : Estelle Renard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des Matériaux
• Date : Soutenance le 29/11/2012
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Chimie et des Matériaux Paris-Est (Thiais, Val-de-Marne)
• Jury : Président / Présidente : Jean Coudane
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Estelle Renard, Patricia Albanese, Iliya Rashkov, Daniel Grande
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Luc Six

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chimie click

Matériaux poreux

Hydroxyapatite

Génie tissulaire

Biopolymères

Mots clés libres

Poly(3-hydroxyalcanoate)s

Activation sous micro-ondes

Electrospinning

Electrospraying

Hydroxyapatite

Investigations biologiques in vitro

Poly(3-hydroxyalkanoate)s

Microwave activation

Electrospinning

Electrospraying

Hydroxyapatite

In vitro biological investigations

Résumé

Les structures poreuses tridimensionnelles fonctionnelles possèdent un fort potentiel dans de nombreuses applications biomédicales. Nous avons ainsi orienté nos travaux vers l'élaboration de nouveaux matériaux capables de répondre à plusieurs critères pour l'ingénierie tissulaire osseuse. Du fait de leur biodisponibilité, leur biocompatibilité et leur biodégradabilité, les poly(3-hydroxyalcanoate)s (PHAs) présentent des propriétés particulièrement adaptées pour ce type d'application. Dans un premier temps, nous avons développé de nouvelles stratégies contrôlées, rapides et aisées, de synthèse de copolymères à blocs à base de PHAs ainsi que de production d'oligoesters par activation sous micro-ondes. Par ailleurs, l'absence d'effet « non-thermique » des micro-ondes sur la polymérisation par ouverture de cycles du D,L-lactide a également été démontrée grâce à une investigation systématique. Dans un second temps, l'élaboration de divers matériaux tridimensionnels nanofibreux par électrofilage (« electrospinning ») a été réalisée afin de fabriquer des structures à base de PHAs de différentes morphologies avec la formation de fibres dans une large gamme de diamètres ou encore avec des topographies de surface contrôlées (nanopores ou rainures). Plusieurs stratégies de fonctionnalisation superficielle ont été également mises au point telles que le dépôt de nanoparticules d'hydroxyapatite selon un procédé original couplant les techniques de l' « electrospinning » et de l' « electrospraying », ou encore le « co-electrospinning » de la gélatine. De nouvelles approches de couplage covalent de molécules en surface des fibres de PHAs par chimie « click » ou par ouverture de fonctions époxyde préalablement introduites ont également été développées. Enfin, des investigations biologiques in vitro ont permis de mettre en lumière les potentialités de ces nouveaux matériaux nanofibreux comme supports de culture cellulaire à travers l'évaluation de l'adhérence, la prolifération et la différentiation de cellules souches mésenchymateuses humaines (hMSCs) pluripotentes vers un phénotype ostéoblastique

Functional three-dimensional porous scaffolds possess a high potential in many biomedical applications. We have thus oriented our work toward the elaboration of new materials able to meet several criteria for bone tissue engineering. Due to their renewability, their biocompatibility, and their biodegradability, poly(3-hydroxyalkanoate)s (PHAs) exhibit properties particularly suitable for this type of application. First, we have developed novel controlled strategies that are rapid and straightforward for the synthesis of PHA-based block copolymers as well as for the production of oligoesters upon microwave activation. Moreover, the absence of “non-thermal” microwave effect in the ring-opening polymerization of D,L-lactide was also demonstrated through a systematic investigation. Second, the elaboration of miscellaneous three-dimensional nanofibrous materials by electrospinning has been performed to produce PHA-based frameworks with different morphologies through the formation of fibers in a wide range of diameters or with controlled surface topography (nanopores or channels). Several strategies for surface functionalization have also been implemented, such as the deposition of hydroxyapatite nanoparticles by an original combination of the electrospinning and electrospraying techniques or by the co-electrospinning of gelatin. New approaches toward covalent coupling of molecules on the PHA fiber surface by “click” chemistry or by ring-opening of previously introduced epoxide groups have also been developed. Lastly, in-vitro biological investigations have highlighted the potential of these new nanofibrous materials as cell culture supports through the evaluation of the adhesion, proliferation, and differentiation of pluripotent human mesenchymal stem cells (hMSCs) toward an osteoblastic phenotype