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Applications osseuses et dentaires du silicium poreux: inénierie tissulaire et minéralisation

par Naveen Fatima

Thèse de doctorat en Biologie Santé

Sous la direction de Jean-Christophe Egea et de Pierre-Yves Collart dutilleul.

Thèses en préparation à l'Université de Montpellier (2022-....) , dans le cadre de Sciences Chimiques et Biologiques pour la Santé , en partenariat avec LBN - Laboratoire Bioingénierie et Nanosciences (laboratoire) et de Bioingénierrie maxillo-faciale et cellules souches (equipe de recherche) .


  • Résumé

    La régénération osseuse est un domaine important pour lequel le monde scientifique travaille. Le silicium poreux est un biomatériau biodégradable, biocompatible, ostéoconducteur, ostéoinducteur, et de surcroît bioactif. Les preuves de régénération osseuse in vivo ont été obtenues avec des microparticules de silicium poreux. Pour améliorer le potentiel de minéralisation, le composite de silicium poreux et de nacre a été évalué. La nacre est également un biomatériau bioactif. Sa structure minéralisée unique, avec l'interface des protéines de la nacre, la rend plus dure que l'os lui-même. La nacre a été utilisée avec sa teneur en protéines pour cette étude. Le silicium mésoporeux est également efficace pour le transport des médicaments et de nombreuses recherches ont été publiées pour explorer cette propriété. Les caries dentaires sont la première pathologie des dents, surtout chez les enfants. Le silicium poreux est chargé de trans-cinnamaldéhyde qui a une activité antimicrobienne. Ce composite est utilisé pour inhiber le développement du biofilm, a livré et libéré le produit qui a inhibé la formation du biofilm ainsi que la production d'acide par les microbes. En lien avec notre étude sur les matériaux poreux et la minéralisation, nous avons étudié la compétence du matériau poreux de l'implant en tantale par rapport aux implants en titane. La surface poreuse du tantale a démontré une meilleure adhésion et prolifération des cellules ainsi qu'une minéralisation accrue, montrant une ostéointégration supplémentaire. La dernière partie de la thèse présente l'étude de la minéralisation, de la déminéralisation et de la reminéralisation de la lésion du point blanc, qui est le stade initial du développement de la carie et qui, si elle n'est pas traitée, conduit à la cavitation. Le modèle ex-vivo de la lésion du point blanc a été perfectionné pour pouvoir suivre les fluctuations de la minéralisation par des études spectroscopiques. Le modèle optimal a été établi en ajustant le moment de la reminéralisation et de la déminéralisation pour obtenir la bonne épaisseur de la lésion en points blancs ainsi créée. L'effet et la pénétration des agents de reminéralisation utilisés en dentisterie ont été étudiés sur ce modèle et analysés par spectroscopie et micro tomographie. L'os et les dents sont les deux tissus les plus durs de l'organisme. La minéralisation est la principale caractéristique structurelle de ces deux tissus. L'approche de l'ingénierie tissulaire pour l'analyse, le développement et la résilience impliqués dans la minéralisation est un amalgame complexe de plusieurs facteurs. Les méthodologies présentées dans cette thèse ont été développées en adoptant plusieurs aspects de l'analyse des caractéristiques de compatibilité liées aux particules, aux matériaux poreux, aux techniques et aux cellules souches. L'objectif ultime est de développer des bonnes pratiques de fabrication (BPF) et de fournir une solution cliniquement compétente pour les tissus minéralisés en médecine régénérative et en dentisterie.

  • Titre traduit

    Porous Silicon for Bone and Dental Applications: Tissue Engineering and Mineralization Processes


  • Résumé

    Porous silicon is a biomaterial that is biodegradable, biocompatible osteoconductive, osteoinductive, and on top of that, it is also bioactive. The assessment of porous silicon for bone regeneration had been studied on porous silicon chips, but the “form” of the chips is not suitable to fill the bony defect, which leads to the development of porous silicon microparticles. The microparticles can be packed into the defect of any dimensions easily. This form of porous silicon offers accelerated dissolution kinetics, as well. Several microscopic and spectroscopic techniques have been utilized to study the kinetics deeply in relation to time and degradation products. The chemical and structural changes occurring during the degradation and osteogenesis have been studied in detail. The “fixation” is achievable with porous silicon as integration of dissolving particles is observed in close proximity to the regenerating bone, thus eliminating the motion between the scaffold and bone. The “formation” that refers to the osteogenic potential of the scaffold or graft material, which is very well achieved with porous silicon. Dental pulp stem cells demonstrated adhesion and osteodifferentiation on the porous silicon scaffold. The in vivo bone regeneration evidences were achieved with porous silicon microparticles. To ameliorate the mineralization potential the composite of porous silicon with nacre was assessed, which shows enhanced potential for regeneration. Mesoporous silicon is also efficient in drug transport and handsome research has been published, exploring this property. Dental caries is the number one pathology of teeth, especially in children. It starts with the development of biofilm around the teeth surface which harbors the pathogens, which further leads to acid production and dental caries. Porous silicon is used with naturally occurring compound trans-cinnamaldehyde which is a bioactive flavonoid. The porous silicon is loaded with trans-cinnamaldehyde which has antimicrobial activity. This composite is used for inhibiting the development of biofilm has delivered and released the product which has inhibited the biofilm formation as well as acid production by microbes. In connection to our study on porous materials and mineralization, we investigated the competence of the porous tantalum implant material in relation to titanium implants. The smooth and rough titanium surfaces were studied and compared to the porous tantalum using dental pulp stem cells. The porous surface of tantalum has demonstrated enhanced cell adhesion and proliferation along with increased mineralization, exhibiting additional osteointegration. The last part of the thesis presents the mineralization, demineralization and remineralization study of white spot lesion, which is the initial stage of caries development, which if not addressed, leads to cavitation. The ex-vivo model of white spot lesion was perfected to be able to follow the mineralizational fluctuations by spectroscopic studies. The optimal model was established by adjusting the timing of remineralization and demineralization to achieve the right thickness of the white spot lesion thus created. The effect and penetration of remineralization agents used in dentistry were studied on this model and analyzed by spectroscopy and micro computed tomography. Bone and teeth are the two hardest tissues of the body. The mineralization in the major structural feature in both of them. The tissue engineering approach for the analysis, development and resilience involved in mineralization is a complex amalgamation of several factors. The methodologies presented in this thesis have been developed by adopting to several aspects of analyzing compatibility features related to particles, porous materials, techniques and stem cells. The ultimate goal is development of Good Manufacturing Practices (GMP) competent solution for the mineralized tissues in regenerative medicine and dentistry.