Microporteurs polymériques poreux à surface bioactive pour l’ingénierie de tissus osseux

Polymeric porous microcarriers with bioactive surface for bone tissue engineering

• Auteur / Autrice : Mirasbek Kuterbekov
• Direction : Catherine Picart, Karine Glinel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie
• Date : Soutenance le 06/05/2019
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE) en cotutelle avec Université catholique de Louvain (1970-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des matériaux et du génie physique (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Alain M. Jonas
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Susanna Miettinen
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Danièle Noël, Philippe Lavalle

Mots clés

Mots clés contrôlés

Solvants organiques

Biomatériaux

Cellules souches

Mots clés libres

Microporteurs

Fabrication sans solvant

Cellules souches adipeuses

Protéine morphogénétique osseuse

Multicouches polyelectrolytes

Microcarriers

Solvent-Free fabrication

Adipose stem cell

Bone morphogenetic protein

Polyelectrolyte multilayers

Résumé

La régénération des défauts osseux de taille critique reste un défi majeur pour la santé. Les limitations des greffes de tissus communes nous ont incités à développer une alternative synthétique basée sur la construction d’un biomatériau, des facteurs ostéoinductifs et des cellules souches. Pour la construction du biomatériau, nous nous sommes concentrés sur les microporteurs polymères poreux, car ils supportent une expansion cellulaire à grande échelle et un assemblage modulaire des tissus, contournant deux goulots d'étranglement importants pour la traduction clinique. Pour assurer l'approvisionnement industriel et l'approbation réglementaire, nous avons conçu une méthode de fabrication sans solvant organique basée sur la cristallisation sphérulitique du poly(L-lactide) (PLLA) dans ses mélanges avec du polyéthylène glycol (PEG). Les sphérulites de PLLA ont été facilement récupérées sous forme de microporteurs en éliminant par rinçage le PEG soluble dans l'eau. Leur taille et leur porosité pourraient être contrôlées indépendamment en ajustant le rapport PLLA / PEG et la température de cristallisation. La biocompatibilité et l'ostéoconductivité des microporteurs à PLLA ont été confirmées par l'expansion et la différenciation ostéogénique des cellules souches adipeuses humaines (hASC). Comme cette dernière fonction hASC est sensible à différents paramètres de culture, nous avons ensuite utilisé l'approche de conception d'expériences pour leur dépistage rapide. En combinaison avec l'analyse à haut débit, nous avons identifié plusieurs paramètres ayant une influence marquée sur leur différenciation ostéogénique. Enfin, pour la délivrance de facteurs ostéoinducteurs, nous avons élaboré des multicouches de polyélectrolytes (PEM) à base de poly (L-ornithine) et d'acide hyaluronique biocompatibles. Ces PEM ont été caractérisées en termes de croissance, de morphologie, d'aptitude à incorporer des protéines morphogénétiques osseuses (BMP) et à fonctionner en tant que revêtements sur des microporteurs à PLLA. Nos résultats préliminaires ont montré que l’incorporation de BMP dans les PEM avait un effet important sur l’adhérence des hASC. Bien que des études supplémentaires soient nécessaires, les microporteurs à PLLA recouverts de PEM chargés de BMP et ensemencés avec hASC pourraient être un implant synthétique prometteur pour une régénération osseuse améliorée.

The regeneration of critical-sized bone defects remains a major healthcare challenge. The limitations of common tissue grafts prompted us to develop a synthetic alternative based on a biomaterial construct, osteoinductive factors and stem cells. For biomaterial construct, we focused on porous polymeric microcarriers as they support large-scale cell expansion and modular tissue assembly, circumventing two important bottlenecks for clinical translation. To insure industrial supply and regulatory approval, we designed an organic-solvent-free method for their fabrication based on the spherulitic crystallization of poly(L-lactide) (PLLA) in its blends with polyethylene glycol (PEG). The PLLA spherulites were easily recovered as microcarriers by rinsing away the water-soluble PEG. Their size and porosity could be independently controlled by tuning the PLLA/PEG ratio and crystallization temperature. The biocompatibility and osteoconductivity of PLLA microcarriers were confirmed through the expansion and osteogenic differentiation of human adipose stem cells (hASCs). Because the latter hASC function is sensitive to different culture parameters, we then used the Design of Experiments approach for their rapid screening. In combination with high-throughput analysis, we identified several parameters that had a pronounced influence on their osteogenic differentiation. Finally, for the delivery of osteoinductive factors, we elaborated polyelectrolyte multilayers (PEM) based on biocompatible poly(L-ornithine) and hyaluronic acid. These PEMs were characterized in terms of their growth, morphology, the ability to incorporate bone morphogenetic proteins (BMP) and to function as coatings on PLLA microcarriers. Our preliminary results showed that the incorporation of BMPs inside PEMs had a strong effect on hASC adhesion. While further studies are needed, hASC-seeded PLLA microcarriers coated with BMP-loaded PEMs could be a promising synthetic implant for improved bone regeneration.