Membrane micro-structurée utilisable comme support au développement de cellule humaine : développement, caractérisation et interaction cellule-matrice

par Pritam Das

Thèse de doctorat en Génie des Procédés et de l'Environnement

Sous la direction de Patrice Bacchin et de Jean-François Lahitte.

Soutenue le 14-12-2018

à Toulouse 3 en cotutelle avec l'Universiteit Twente (Enschede, Nederland) et l'Univertà della Calabria (Rende, Italia) , dans le cadre de École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse) , en partenariat avec Laboratoire de génie chimique (Toulouse ; 1992-....) (laboratoire) .

mots clés

• Membrane à double porosité
• Bio-polymères
• Greffe vasculaire
• Culture cellulaire 3D
• Organe-sur-puce
• Membranes (technologie)
• Matériaux poreux
• Cultures cellulaires

Résumé

Les matériaux à structure tridimensionnelle laissent entrevoir de nombreuses applications prometteuses dans le domaine de l'ingénierie tissulaire et de la médecine régénérative en fournissant un micro-environnement approprié pour l'incorporation de cellules ou de facteurs de croissance afin de régénérer des tissus ou organes endommagés. Dans ce contexte, une membrane a été élaborée à partir d'un mélange de poly (ε-caprolactone) PCL / chitosan CHT à partir d'une technique d'inversion de phase permettant un apport localisé de non solvent. La technique permet d'obtenir une double morphologie poreuse : (i) des macrovides en surface (gros pores) facilement accessibles pour l'invasion et la viabilité des cellules; (ii) un réseau macroporeux interconnecté (petits pores) pour transférer les nutriments, l'oxygène, le facteur de croissance à travers le matériau. Les propriétés physico-chimiques (taille des pores, chimie de surface et biodégradabilité) des matériaux ont été caractérisées. Il est montré comment il est possible d'ajuster les propriétés de la membrane en modifiant le rapport PCL / CHT. Des cultures de cellules souches mésenchymateuses humaines (CSMh) ont été réalisées sur la membrane. La viabilité et la prolifération cellulaires ont été étudiées par des essais de test au MTT et de taux d'absorption d'oxygène. Les expériences démontrent que la membrane est biocompatible et peut être colonisée par les cellules. La microscopie confocale montre que les cellules sont capables de pénétrer à l'intérieur des macrovides de la membrane. La prolifération cellulaire de CSM dans ce matériau pourrait être utile pour augmenter la longévité d'autres cellules primaires en modifiant les CSM pour produire des facteurs de croissance. Pour tester le comportement dynamique des cellules sur la membrane, un dispositif d'organe sur puce a été développé avec des cellules endothéliales ombilicales humaines ensemencées sur la membrane. Les résistances hydrauliques de la barrière cellulaire sur la membrane ont été quantifiées en temps réel pour une pression trans-endothéliale (PTE), 20 cm H2O à 37 ° C et avec des cellules vivantes après 1 jour et 3 jours après l'ensemencement. Les résultats suggèrent que ce type d'échafaudages polymères peut être utile à l'avenir comme patch in vivo pour réparer des vaisseaux endommagés.

mots clés

• Double porous membrane
• Bio-polymers
• Vascular graft
• 3D cell culture
• Organ-on-chip

Titre traduit

Micro-structured membrane as a 3D biodegradable scaffold : development, characterization and cell-matrix interaction

Résumé

Over the last decades, three-dimensional (3D) scaffolds are unfolding many promising applications in tissue engineering and regenerative medicine field by providing suitable microenvironment for the incorporation of cells or growth factors to regenerate damaged tissues or organs. The three-dimensional polymeric porous scaffolds with higher porosities having homogeneous interconnected pore network are highly useful for tissue engineering. In this context, a poly (ε- caprolactone) PCL/chitosan CHT blend membrane with a double porous morphology was developed by modified liquid induced phase inversion technique. The membrane shows: (i) surface macrovoids (big pores) which could be easily accessible for cells invasion and viability; (ii) interconnected microporous (small pores) network to transfer essential nutrients, oxygen, growth factors between the macrovoids and throughout the scaffolds. The physico-chemical properties (pore size, surface chemistry and biodegradability) of the materials have been characterized. This study shows how it is possible to tune the membrane properties by changing the PCL/CHT ratio. Human mesenchymal stem cell (hMSCs) culture was performed on the membranes and the cell viability and proliferation was investigated by MTT assay and oxygen uptake rate experiments. The experiments demonstrate that the membranes are biocompatible and can be colonized by the cells at micron scale. Confocal microscopy images show that the cells are able to adhere and penetrate inside the macrovoids of the membranes. Both cell proliferation and oxygen uptake increase with time especially on membranes with lower chitosan concentration. The presence of chitosan in the blend produces an increase of porosity that affect the entrapment of the cells inside the porous bulk of the membranes. Successful cellular proliferation of hMSCs could be useful to enhance longevity of other primary cells by production of corresponding growth factors. To test the dynamic behavior of cells on the membranes, an organ-on-chip (OOC) device has been developed with human umbilical endothelial cells (HUVECs) seeded on the membrane. The hydraulic resistance of the cellular barrier on the membrane has been quantified for real time trans-endothelial pressure (TEP) 20 cmH2O at 37 degree C and with living cells after 1 day and 3 day of post seeding. Results suggests this kind of polymeric scaffolds can be useful in future as an in vivo patch to repair disrupted vessels.