Développement de rein bioartificiel implantable basé sur l'hydrogel de polyacrylamide en forme bidimensionnel et tridimensionnel

Development of Implantable Bioartificial Kidney Based on Two-dimensional and Three-dimensional Hydrolyzed Polyacrylamide Hydrogel

• Auteur / Autrice : Marleine Tamer
• Direction : Mikhael Bechelany, Maria Bassil
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie et physico-chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 10/12/2021
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Chimiques Balard (Montpellier ; 2003-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Européen des membranes (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Sophie Tingry
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mikhael Bechelany, Maria Bassil, Fabien Picaud, Roland Habchi, Camille Raillon, Sébastien Balme
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fabien Picaud, Roland Habchi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Reins artificiels

Microfluidique

Matrices

Cultures cellulaires

Mots clés libres

Culture Cellulaire

Matrices 3D

Filtration

Microfluidique

Cell Culture

3D Martices

Filtration

Microfluidics

Résumé

La microfluidique est une technologie prometteuse pour l’amélioration de la recherche en biologie et en médecine. Le rein artificiel est un dispositif microfluidique qui remplace la fonction de filtration rénale en minimisant l'ensemble du système de dialyse, constitué d'une membrane de filtration placée à l'intérieur d'un dispositif préparé à partir de matériaux biocompatibles. Les reins bioartificiels offrent une extension aux reins artificiels conventionnels, en incorporant l'ingénierie tissulaire avec des cellules et des tissus vivants, afin de mieux imiter les reins normaux. Les hydrogels sont des réseaux polymériques hydrophiles tridimensionnels capables d'absorber de grandes quantités de fluides biologiques. En raison de leur teneur élevée en eau, de leur porosité et de leur consistance molle, les hydrogels simulent étroitement les tissus vivants naturels et sont largement utilisés comme matrice extracellulaire. L'utilisation d'hydrogels poreux comme MEC dans les dispositifs microfluidiques fournit des propriétés mécaniques douces et contrôlables de la matrice, améliore l'interaction cellule-cellule et cellule-MEC et permet l'enrobage des cellules, car l'oxygène et les nutriments sont capables de se diffuser à travers leur structure et fournir l'environnement approprié pour la culture cellulaire. L'hydrogel de polyacrylamide hydrolysé a été choisi pour l'ingénierie tissulaire en raison de ses propriétés mécaniques, sa facilité de mise en forme et sa viscoélasticité. L'objectif de la thèse était de développer un hydrogel de Polyacrylamide utilisé comme membrane de filtration microfluidique, formant une « unité de filtration » afin de bloquer le passage de molécule au-dessus d'une taille spécifique en raison de leur taille de maille contrôlable. L'hydrogel de polyacrylamide macroporeux est préparé à l'aide de la technique d'émulsion et utilisé comme matrice extracellulaire pour la formation de sphéroïdes de podocytes. Le contrôle des propriétés structurelles et mécaniques de l'hydrogel conduit à différentes réponses des sphéroïdes de podocytes. Un hydrogel de Polyacrylamide macroporeux contenant des sphéroïdes de podocytes sera utilisé comme membrane basale de filtration encapsulée dans un dispositif microfluidique formant une autre « unité de filtration ». L'assemblage de différentes unités de filtration encapsulant des hydrogels ensemencés ou non de cellules de podocytes, travaillant en parallèle formant le rein bioartificiel qui remplace la fonction rénale normale.

Microfluidics is a promising technology for improving biology and medicine research. Artificial kidney is a microfluidic device that replaces kidney filtration function by minimizing the whole dialysis system, consist of a filtration membrane placed inside a device prepared from biocompatible materials. Bioartificial kidneys provide an extension to conventional artificial kidneys, by incorporating tissue engineering with living cellular and tissue, in an order to better mimic normal kidneys. Hydrogels are three-dimensional, hydrophilic, polymeric networks capable of absorbing large amounts of biological fluids. Due to their high water content, porosity and soft consistency, hydrogels closely simulate natural living tissue, and are widely used as an extracellular matrix. The use of porous hydrogels as ECM in microfluidic devices provides a soft and controllable mechanical properties of the matrix, improve the cell-cell and cell-ECM interaction and enables the embedding of cells, as oxygen and nutrients are able to diffuse through their structure and provide the proper environment for cell culture. The hydrolyzed polyacrylamide hydrogel was chosen for tissue engineering due to its mechanical properties, its easy shaping and its viscoelasticity. The thesis aim was to develop a Polyacrylamide hydrogel used as a filtration membrane is microfluidics forming a “filtration unit” in order to block the passage of molecule above a specific size due to their controllable mesh size. Macroporous Polyacrylamide hydrogel is prepared using emulsion technique, and used as extracellular matrix for podocytes spheroids formation. Controlling the hydrogel structural and mechanical properties leads to different responses of podocytes spheroids. Macroporous Polyacrylamide hydrogel holding podocytes spheroids will be used as filtration basement membrane encapsulated in a microfluidic device forming another “filtration unit”. The assembly of different filtration units encapsulating hydrogels seeded with podocytes cells or not, working in parallel forming the bioartificial kidney that replace the normal kidney function.