Caractérisation biologique et mécanique d'un subsitut osseux biohybride et développement de scaffolds par électrospinning : vers un pansement vivant pour la reconstruction maxillo-faciale

Biological and mechanical characterization of a biohybrid bone substitute and development of electrospun scaffolds

• Auteur / Autrice : Timothée Baudequin
• Direction : Cécile Legallais, Fahmi Bedoui
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biomécanique, Bio-Ingénierie
• Date : Soutenance le 30/10/2015
• Etablissement(s) : Compiègne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale 71, Sciences pour l'ingénieur (Compiègne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Biomécanique et Bioingéniérie

Mots clés

Mots clés contrôlés

Phosphates de calcium

Chirurgie orthognathique

Face -- Chirurgie

Polymères

Cellules endothéliales

Cellules souches

Os

Biomatériaux

Génie tissulaire

Mots clés libres

Ingénierie tissulaire

Coculture

Electrospinning

Scaffold

Chirurgie maxillo-faciale

Tissue engineering

Bone

Stem cells

Endothelial cells

Coculture

Electrospinning

Calcium phosphate

Polymer

Résumé

Un substitut osseux hybride, composé d’un biomatériau support (scaffold) et de cellules vivantes, a été étudié, développé par la méthode d’ingénierie tissulaire et caractérisé. Il devait répondre aux attentes spécifiques de la chirurgie maxillofaciale : un protocole standard pouvant s’adapter aux géométries complexes des défauts osseux de chaque patient, une forme souple et manipulable, une pré-vascularisation et une cohésion mécanique suffisante. Une forme de feuillet fin et plat a ainsi été définie et développée au sein d’une chambre de culture parallélépipédique spécifique, en utilisant une monocouche de granules de phosphate de calcium comme support. Après une caractérisation biologique et mécanique complète à partir d’une lignée cellulaire, le procédé a été validé puis transposé à une coculture de cellules primaires humaines (cellules souches et endothéliales). La bonne différenciation et la pré-vascularisation ont été constatées mais le maintien mécanique pouvait être considéré comme insuffisant pour assurer une manipulation en cours d’opération chirurgicale. La dernière partie de ce travail de thèse a donc consisté dans la mise en place d’un montage de production de fibres électrospinnées et leur utilisation comme nouveau support de culture. La formation de ces matériaux a été rendue opérationnelle de façon optimale pour différents polymères. Leur potentiel en tant que scaffold favorisant la différenciation en os ou en tendon a été vérifié et comparé à d’autres matériaux fibreux obtenus dans le cadre de collaborations nationales et internationales. La faisabilité de l’application de sollicitations mécaniques aux substituts en cours de culture a également été étudiée.

An hybrid bone substitute, based on a specific biomaterial (scaffold) and living cells, was studied, developed with a tissue engineered method and characterized. It should meet the expectations of the maxillofacial surgery : a standard process which could fit with the complex geometries of each patient’s bone mass loss, a flexible shape with an easy handling, a prevascularization and a sufficient mechanical cohesion. A sheet-like shape was thus designed and developed in a specific flat cell culture chamber, with a monolayer of calcium phosphate granules as a scaffold. After both biological and mechanical full characterizations with a cell line, the process was adapted to a coculture of human primary cells (stem and endothelial cells). Relevant differentiation and prevascularization were highlighted but the mechanical cohesion could be noticed as too low to ensure an easy handling during the surgery. The last part of this thesis project was thus the set-up of a device for electrospun polymer fibers in order to use them as a new scaffold. The production of these materials was efficiently performed for several polymers. The differentiation potential for bone and tendon lineages was studied and compared to other scaffolds from national and international collaborations. The application of mechanical solicitations to the substitutes during cellculture was also studied.