Le disque intervertébral est un composant fondamental de la colonne vertébrale jouant un rôle essentiel dans la mobilité du rachis. Il a été montré que 20% des lombalgies chroniques sont liées à une hernie discale, définie comme la protrusion du Nucleus pulposus (NP), à travers l’Annulus fibrosus (AF), dans le canal rachidien pouvant induire la compression d’une racine nerveuse à l’origine des douleurs dites «projetées». Les lésions au sein de l’AF permettent l’entrée de vaisseaux et terminaisons nerveuses rendant le DIV lui-même douloureux, il s’agit de douleurs dites « discogéniques ». Actuellement, la procédure chirurgicale utilisée est la discectomie partielle qui consiste à enlever la partie herniée et ainsi décomprimer la racine nerveuse impliquée dans la douleur projetée. Bien qu’efficace à court terme, les résultats cliniques à long terme sont plus ou moins satisfaisants. En effet, les défauts au sein de l’AF persistent avec le temps et sont associés à un risque de 20% de réapparition d’une hernie discale et conduisent à une augmentation de 20% de la fréquence d’apparition de la dégénérescence discale. Dans ce contexte, cette thèse a pour objectif de développer à l’aide de la technique d’électrospinning un biomatériau non cellularisé dont la structure reproduit l’organisation fibreuse de l’AF natif. La capacité de ce biomatériau à promouvoir une infiltration spontanée de cellules de l’AF, leur orientation et le dépôt d’une matrice extracellulaire orientée, a ensuite été testée dans un modèle de culture d’explant d’AF de brebis. Enfin, la stimulation de la régénération de l’AF par ce biomatériau a été évaluée dans un modèle de défaut annulaire induit chez la brebis. / The intervertebral disc is a fundamental component of the spine which plays an essential role in the mobility of the spine. It has been shown that 20% of chronic low back pain is related to a disc herniation, defined as the protrusion of the Nucleus pulposus (NP), through the Annulus fibrosus (AF), in the spinal canal that can induce the compression of a nerve root and cause radicular pain. Moreoever, lesions within the AF allow the entry of vessels and nerve endings that make the IVD itself painful, which is called "discogenic" pain. Currently, the surgical procedure used is partial discectomy, which consists in removing the herniated tissue, thus decompressing the nerve root involved in the radicular pain. Although short term efficiency has been proven, long-term clinical outcomes are questionable. Indeed, defects within the AF persist in time due to the limited intrinsic healing capacity of the AF and are associated with a 20% risk of reoccurrence of a disc herniation and lead to a 20% increase in the frequency of occurrence of disc degeneration. In this context, the objective of this thesis was to develop, using the electrospinning technique, a non-cellularized biomaterial whose structure reproduces the fibrous organization of native AF. Subsequently, the ability of this biomaterial to promote spontaneous infiltration of AF cells, their orientation and the deposition of an oriented extracellular matrix was tested in a sheep AF explant culture model. Finally, the stimulation of AF regeneration by this biomaterial was evaluated in an induced annular defect model in the sheep.

Comme les propriétés physiques d'un matériau à l'échelle nanométrique sont largement dépendantes de la taille et de la forme des nanostructures, il est inutile de synthétiser de nouvelles compositions et morphologies. L'étude avancée de leur structure par les techniques de caractérisation usuelles (MET, MEB, DRX, Raman...) permettra de collecter toutes les informations nécessaires à la compréhension de leurs propriétés physiques (magnétiques, optiques, électriques). Dans ce manuscrit, nous décrirons plusieurs approches d'élaboration de nanostructures 0D, 1D et 2D multifonctionnelles afin de mieux connaître les paramètres qui contrôlent leur composition chimique et leur structure. De plus, ce travail de recherche a abouti à la synthèse de nouveaux matériaux à base d'oxyde et de carbure de fer. Des nanofibres magnétiques ayant des morphologies originales " Ruban " et " tube " ont été élaborées par la technique d'électrospinning en modifiant plusieurs paramètres expérimentaux : concentration de la solution, atmosphères de traitement thermique, température de recuit... De plus, des couches minces guidantes dopées par des nanostructures magnétiques ont été préparées par la technique dip-coating. Nous avons mené une étude complexe et détaillée sur les propriétés structurales de ces matériaux afin de définir les paramètres expérimentaux qui permettront d'obtenir des nano objets de bonne qualité. Dans un but ultime, nous souhaiterons explorer les possibilités d'application de ces matériaux qui présentent à la fois des caractéristiques électriques et magnétiques.

Les polyphénols, métabolites essentiels des végétaux, possèdent des propriétés intéressantes pour la santé : antioxydants, antimicrobiens ou anticarcinogéniques mais aussi pour la physico-chimie : amphiphiles, donneurs et accepteurs de liaisons hydrogènes, complexation avec les ions métalliques. Cette thèse a pour but d’utiliser un polyphénol : l’acide tannique (AT) afin de fonctionnaliser des matériaux sous différentes formes. Tout d’abord, l’AT a permis de structurer des fibres électrospinnées d’acide poly-lactique à l’aide de la technique de co-électrospinning-électrospraying pour la régénération de la pulpe dentaire. Ensuite, il a été possible de réaliser pour la première fois des fibres électrospinnées d’AT pur et de les réticuler ouvrant la porte à une synthèse « verte » de fibres pour la catalyse notamment. Enfin, des films multicouches à l’aide d’enzymes ont été construits permettant d’obtenir des films ayant à la fois une activité enzymatique et une électro-activité. / Polyphenols are essential metabolites in vegetal kingdom. They have interesting properties both for healthcare and physical-chemistry : they are antioxidant, antimicrobial or anticarcinogenic and they are amphiphilic, hydrogen-bond acceptors and donors and they can chelate with metallic cations. This thesis aims to use a polyphenol : tannic acid (TA) to design functionnal materials. To begin, for a dental pulp engineerig purpose, TA was used to structure electrospun fibers of poly-lactic acid by using the technics of co-electrospinning-electrospraying. Then, for the first time, it was possible to electrospin fibres from a solution of pure TA. To consider applications, it was possible to cross-link these fibres. This result paves the way for a green synthesis of electrospun membranes. To finish, multilayer enzymatic films were made with TA and alkaline phosphatase or lysozyme. Films have both enzymatic properties and electro-activity due to TA.

Comme les propriétés physiques d'un matériau à l’échelle nanométrique sont largement dépendantes de la taille et de la forme des nanostructures, il est inutile de synthétiser de nouvelles compositions et morphologies. L’étude avancée de leur structure par les techniques de caractérisation usuelles (MET, MEB, DRX, Raman…) permettra de collecter toutes les informations nécessaires à la compréhension de leurs propriétés physiques (magnétiques, optiques, électriques). Dans ce manuscrit, nous décrirons plusieurs approches d’élaboration de nanostructures 0D, 1D et 2D multifonctionnelles afin de mieux connaître les paramètres qui contrôlent leur composition chimique et leur structure. De plus, ce travail de recherche a abouti à la synthèse de nouveaux matériaux à base d’oxyde et de carbure de fer. Des nanofibres magnétiques ayant des morphologies originales « Ruban » et « tube » ont été élaborées par la technique d’électrospinning en modifiant plusieurs paramètres expérimentaux : concentration de la solution, atmosphères de traitement thermique, température de recuit… De plus, des couches minces guidantes dopées par des nanostructures magnétiques ont été préparées par la technique dip-coating. Nous avons mené une étude complexe et détaillée sur les propriétés structurales de ces matériaux afin de définir les paramètres expérimentaux qui permettront d’obtenir des nano objets de bonne qualité. Dans un but ultime, nous souhaiterons explorer les possibilités d’application de ces matériaux qui présentent à la fois des caractéristiques électriques et magnétiques. / The physical properties of a nanomaterial strongly depend on the size and the shape of the nanostructure. As a consequence, it is interesting to elaborate new materials with different compositions and morphologies. The advanced study on the structure using common characterization techniques (TEM, MEB, XRD, Raman…) allows us to collect all the important information on their physical properties (magnetic, optical and electrical properties). In this thesis, we describe multiple ways to elaborate multifunctional nanostructures with 0D, 1D and 2D in order to study the parameters that control their chemical composition and structure. Besides, this research lead to the elaboration of new nanomaterials based on the oxide and the carbide forms of iron. Magnetic nanofibers with different morphologies (belts, tubes) were prepared using the electrospinning technique while controlling several experimental parameters : solution concentration, pyrolysis atmosphere, thermal treatment temperature… Moreover, thin layers doped with magnetic nanostructures were deposited on a pyrex substrate using the dip-coating technique. A full and detailed study on their structural properties was performed in order to reach the experimental parameters that allow us to obtain high quality products. Finally, we wish to explore the possible applications of these materials that present interesting electrical and magnetic characteristics.

Les nanotechnologies sont en train de révolutionner le domaine biomédical et plus particulièrement l’ingénierie tissulaire. Elles permettent aujourd’hui, non seulement de réparer mais aussi de régénérer les tissus. Cette nanomédecine régénérative est particulièrement adaptée pour répondre aux besoins importants liés aux maladies dégénératives, au vieillissement et aux traumatismes.Mon travail de thèse s’inscrit dans ce contexte et concerne l’élaboration de biomatériaux nanofibreux et microporeux actifs pour la régénération osseuse. Notre objectif essentiel est de réaliser un implant biodégradable nanostructuré permettant d’accélérer la réparation du tissu osseux. Notre stratégie innovante repose non seulement sur la mise en oeuvre de membranes par électrospinning mais aussi sur leur fonctionnalisation par des facteurs de croissance. Cette fonctionnalisation originale a consisté à enrober ces principes actifs dans des nanoréservoirs en utilisant la technique multicouche de polyélectrolytes. Des membranes de polycaprolactone (PCL) nanofibreuses et microporeuses ont été obtenues par électrospinning puis les fibres ont été enrobées de réservoirs contenant le facteur ostéoinducteur, la protéine morphogénique osseuse 2 (BMP-2). L’induction osseuse engendrée par ces réservoirs actifs a été mise en évidence in vitro après culture d’ostéoblastes humains primaires. Des expérimentations in vivo chez la souris ont permis de confirmer l’accélération de la régénération osseuse grâce à ces nanoréservoirs.Cette même stratégie a été validée in vivo, chez la souris, en utilisant des membranes de collagène d’origine animal commerciales utilisées en clinique. L’activité de ces membranes fonctionnalisées par des nanoréservoirs de BMP-2 est en cours d’analyse dans le cadre de tests précliniques pour une application maxillofaciale et parodontale. / Nanobiotechnology enables the emergence of entirely new classes of bioactive devices intended for targeted intracellular delivery for more efficiency and less toxicities. Tissue engineering is an interdisciplinary field that has attempted to implement a variety of processing methods for synthetic and natural polymers to fabricate tissue and organ regeneration scaffolds.We report here the first demonstration of bone regeneration by using a strategy based on a synthetic nanostructured membrane. This electrospun membrane is manufactured by using a FDA approved polymer, PCL, (polycaprolactone), and functionalized with nanoreservoirs of a growth factor (BMP-2). Our expected outcomes are the development of clinical applications in the field of tissue engineering and nanomedecine and particularly in bone regeneration.We propose the development of smart nanostructured active implants for regenerative medicine. Our strategycombines a synthetic biodegradable electrospun nanofibrous membrane based on PCL and a bioactive growth factor (BMP-2) entrapped into polymer nanoreservoirs built atop the nanofibers according to the layer-by-layer technology. In this study, by using primary osteoblasts, we have shown the capacity of these sophisticated implants to promote and accelerate not only in vitro bone induction; but also, in vivo, bone formation (mouse model).We have also validated our strategy, in vivo (mouse model), by using an already used in the clinic collagen membrane (animal origin) to accelerate bone regeneration. This unique strategy is used to entrap, protect and stabilize the therapeutic agent into polymer coating acting as nanoreservoirs enrobing fibers of membranes.