Fonctionnalisation et caractérisation multi-échelle de films minces de chitosane : vers une utilisation en ingénierie tissulaire

Functionalization and multi-scale characterisation of chitosan films for tissue engineering application

• Auteur / Autrice : Hongyuan Zhang
• Direction : Franck Cleymand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 16/12/2014
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : EMMA - Ecole Doctorale Energie - Mécanique - Matériaux
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Lamour (Nancy ; Vandoeuvre-lès-Nancy ; Metz)
• Jury : Président / Présidente : Patrick Menu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Elmira Arab Téhrany, Benoît Frisch, Philippe Lavalle
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hugues Brisset, Joao F. Mano

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanoparticules lipidiques

Technique des plasmas

Fonctionnalisation des surfaces (chimie)

Couches minces

Chitosane

Mots clés libres

Chitosane

Nanoliposomes

Fonctionnalisation en volume

Traitement plasma

Biocompatibilité in vitro

Biodégradabilité in vitro

Chitosan

Nanoliposomes

Functionalization in volume

Plasma treatment

In vitro biocompatibility

In vitro biodegradability

Résumé

Ce travail porte sur la fonctionnalisation en volume et/ou en surface et la caractérisation multi-échelle de films minces de chitosane utilisés en ingénierie tissulaire. L’ajout des nanoliposomes à base de lécithine naturelle (végétale ou marine) et un traitement plasma sont employés pour réaliser ces deux fonctionnalisations. De nombreuses analyses des caractéristiques physico-chimiques et « structurales » de films minces ont montré que lorsqu’on ajoute 10 % de nanoliposomes dans les films de chitosane, l’hydrophobicité de la surface s’améliore de 18 à 36 %, ce fait est attribué à la présence de composants polaires. La cristallinité est légèrement augmentée ; à 37 °C, le module d’Young diminue de 6 GPa environ jusqu’à près de 4 GPa ; aucune nouvelle liaison ne se crée entre le chitosane et les nanoliposomes ; une diminution de degré de déacétylation est observée, qui pourrait être associée à la conformation des nanoliposomes ajoutés en volume aux films de chitosane. Le traitement plasma a réussi à modifier la structure de surface du chitosane seul et du chitosane mélangé aux nanoliposomes par greffe de groupements actifs (groupes amine, C-O, COOH, -OH). En revanche, dans notre cas, les liaisons hydrogène entre les groupes polaires créés par le traitement plasma peuvent être éliminées partiellement après un temps donné, ce qui limite l’application du traitement. Ensuite, des études préliminaires sur la biocompatibilité in vitro et la biodégradabilité in vitro sont réalisées pour les films de chitosane et du chitosane mélangé aux nanoliposomes. Les cellules souches mésenchymateuses sont utilisées pour l’étude de la première, et une solution de PBS contenant 10 mg/L de lysozyme pour la seconde. Les propriétés physico-chimiques des films de chitosane mélangé aux nanoliposomes marines, leur faible cytotoxicité aux cellules et leur stabilité dans la solution de PBS contenant du lysozyme leur permettent d’être utilisés comme matrice de support dans le domaine de la médecine régénérative

This work focused on functionalized chitosan thin films in the bulk and/or on the surface by nanoliposomes based on natural lecithin (plant and marine) and plasma treatment. Various techniques were used for physicochemical properties analysis of functionalized thin films. The results showed that by adding the nanoliposomes into the chitosan scaffold, the surface wettability of thin films increased from 18 % to 36 %. The crystallinity degree was slightly improved in blend thin films. Any new bond was determined by fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), which confirmed that there is no chemical interaction between the nanoliposomes and chitosan. The Young’s modulus of blend thin films deceased from 6 GPa to 5 GPa. The morphological, nanomechanical properties and adhesion force of each scaffold system determined by Scanning Probe Microscopy (HarmoniXTM mode) showed that the fish nanoliposomes/chitosan thin film had the most similar properties compared to the pure chitosan thin film. The surface of chitosane films and nanoliposomes/chitosane blend films were modified by the plasma treatment. Functional groups (amine groups, C-O, COOH, -OH) are grafted onto the surface enhancing thus the surface energy of the films. But the hydrogen bonds between the polar groups introduced by the treatment can be destroyed after a given time; the author proposed that the functionalization in the bulk by adding of nanoliposomes provided more stable and greater possibility of new materials producing than the functionalization at the surface by plasma treatment for potential tissue engineering application. Then, in vitro biocompatibility preliminary study was carried using human mesenchymal stem cells (hMSCs); and in vitro biodegradability study was tested in the phosphate buffered saline (PBS) mixed with 10 mg/L lysozyme. The films of chitosan functionalized by salmon nanoliposomes showed more interesting as matrix extracellular for regenerative medicine applications because of their physico-chemical properties, low cytotoxicity and the stability inside the PBS and lysozyme solutions.