Vers un nouveau biosubstitut pour l'ingénierie tissulaire du ligament croisé antérieur : approche biomécanique

Towards a new biosubstitute for anterior cruciate ligament tissue engineering : a biomechanical approach

• Auteur / Autrice : Cédric Laurent
• Direction : Jean-François Ganghoffer, Rachid Rahouadj
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et énergétique
• Date : Soutenance le 11/09/2012
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : EMMA - Ecole Doctorale Energie - Mécanique - Matériaux
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Energies et Mécanique Théorique et Appliquée
• Jury : Président / Présidente : Didier Mainard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Damien Durville, Cécile Legallais
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : David Mitton, Dominique Pioletti

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cultures cellulaires

Simulation par ordinateur

Biomécanique

Méthode des éléments finis

Biomatériaux

Ligament croisé antérieur du genou

Génie tissulaire

Mots clés libres

Ingénierie tissulaire

Ligament croisé antérieur

Biomécanique

Biosubstitut

Matrice de support

Simulation par éléments finis

Bioréacteur

Mécanobiologie

Computer-aided tissue engineering

Biomechanics

Anterior cruciate ligament

Tissue-engineered construct

Scaffold

Bioreactor

Finite element simulations

Mechanobiology

Résumé

L'ingénierie tissulaire, qui consiste à remplacer un tissu lésé par un biosubstitut constitué de cellules réparatrices ensemencées dans une matrice de support biodégradable, possède un potentiel prometteur pour la réparation du Ligament Croisé Antérieur (LCA). Or, aucune solution opérationnelle n'a encore été proposée à ce jour, notamment au vu du nombre de domaines scientifiques impliqués. Dans ce travail, nous avons dressé un cahier des charges pour la définition de cette matrice en nous appuyant sur l'état de l'art. Une matrice de support tressée multicouche constituée de fibres de P(LL85/CL15) a été imaginée, puis les outils nécessaires à sa fabrication à l'échelle du laboratoire ont été mis en place. Nous avons ensuite développé des outils numériques spécifiques permettant la modélisation de sa géométrie et de son comportement biomécanique multi-échelles, qui ont été mis à profit afin d?optimiser les caractéristiques de la matrice compte tenu du cahier des charges établi. De plus, des caractérisations biologiques ont montré que la matrice était compatible avec la culture de cellules souches, et était susceptible d?accueillir la formation d'un néo-tissu. Par ailleurs, nous avons mis en place un bioréacteur spécifique permettant d'imposer à la matrice de support des cycles de traction-torsion sous environnement contrôlé. L'utilisation des informations locales issues de la modélisation biomécanique, afin d'interpréter ou d'optimiser les résultats de culture cellulaire sous sollicitations cycliques, constitue une perspective majeure du présent travail. Notre investigation permet en outre de penser qu'un nouveau biosubstitut pour le LCA pourrait prochainement être proposé

Tissue engineering, which consists in replacing an injured tissue with a biodegradable scaffold seeded with cells, has the potential to overcome the limitations associated with current reconstructions strategies of the Anterior Cruciate Ligament (ACL). However, no relevant solution has been proposed yet, especially due to the variety of scientific fields involved in this approach. In the current study, the key requirements for the design of a new scaffold have been listed from the current state of art. A scaffold based on P(LL85/CL15) fibers arranged into a multilayer braided structure has been proposed, and the tools needed to process this scaffold have been developed. Dedicated numerical tools have been proposed in order to predict the morphological and multiscale biomechanical behavior of the scaffold. These simulation tools have enabled to optimize the scaffold geometry in order to match the selected key requirements for ACL tissue engineering. Moreover, preliminary biological assessments have shown that the scaffold was suited for the culture of stem cells and for tissue formation. In addition, a dedicated bioreactor has been developed in order to prescribe tension-torsion cycles within a controlled environment. The use of local information issued from the biomechanical simulations open large perspectives as far as the optimization of culture conditions and the understanding of mechanisms that govern the formation of a ligamentous tissue are concerned. As a conclusion, the present study is likely to enable a new solution for ACL tissue engineering to emerge in the next years