Le chitosane est un polymère naturel obtenu par deacétylation de la chitine. Ce polysaccharide est bien connu pour ses propriétés biologiques exceptionnelles : il est biocompatible et biorésorbable. Les fibres de chitosane peuvent être utilisées en chirurgie. L'objectif de cette thèse est d'étudier les phénomènes physico-chimiques mis en jeu, de développer un modèle du procédé, afin d'optimiser le procédé de filage mis au point au laboratoire.Après une revue de la littérature dans le premier chapitre, les techniques expérimentales d'obtention, de purification, et de caractérisation du chitosane sont décrits dans le deuxième chapitre. Une étude de la structure du chitosane obtenu est présentée. C'est l'un des résultats originaux de ce travail.Le principe du procédé étant par coagulation en solution, il est essentiel de déterminer dans quelle condition celle-ci s'effectue, et quel est le paramètre déterminant. Les études précédentes ont montré que celui-ci est le coefficient de diffusion de la soude dans le milieu. A cet effet, des mesures ont été effectuées, dans des géométries différentes. Cette étude constitue le travail présenté dans le chapitre trois.Dans le chapitre quatre est présentée une technique consistant à suivre au moyen d'un microscope l'avancée du front de coagulation. Cette technique a permis de déterminer précisément le coefficient de diffusion.Le dernier chapitre a consisté à élaborer des fibres au moyen d'un banc que possède le laboratoire (IMP Lyon 1). L'étape ultime de ce travail a été de modéliser le procédé, de prévoir les diamètres intérieur et extérieur des fibres obtenues, et de comparer le résultat de la modélisation aux résultats expérimentaux / Chitosan is a natural polymer obtained by deacetylation of chitin. This polysaccharide is well known for its exceptional biological properties: it is biocompatible and bio absorbable. Chitosan fibers can be used in surgery.The objective of this thesis is to study the physicochemical phenomena involved, to develop a process model, to optimize the filtering process in the laboratory.After a review of the literature in the first chapter, the experimental techniques for obtaining, purifying and characterizing chitosan are described in the second chapter. A study of the structure of the chitosan obtained is presented. This is one of the original results of this work.The principle of the coagulation method in solution, it is essential to determine in what condition it, and what is the determining parameter. Previous studies have shown that this is the diffusion coefficient of soda in the medium. One effect, measurements were made, in different geometries. This study constitutes the work presented in Chapter Three.In chapter four is presented a technique consisting in following by means of a microscope the advance of the coagulation front. This technique makes it possible to determine the diffusion coefficient.The last chapter consisted of developing fibers using a small scale plant existing in laboratory (IMP Lyon 1). The final element of this work consists of modelling the process, calculating the inside and outside diameters of the fibers obtained and comparing the result of the modelling with the experimental results

La résorption post-extractionnelle est de nos jours une conséquence inéluctable après avulsion. Cette résorption, lors d'une réhabilitation prothétique sur implants, peut avoir des conséquences néfastes tant dans le résultat esthétique que fonctionnel. Les techniques de régénération pré-implantaire (technique dérivée de la régénération tissulaire guidée) par l'emploi d'autogreffe, de xénogreffe ou encore d'allogreffe associée ou non à une membrane ont montré des bénéfices quant à la préservation du volume osseux. Les délais d'ostéointégration ayant été de nos jours réduits avec un taux de survie implantaire satisfaisant, la technique d'extraction/implantation immédiate a été envisagée dans le but d'éviter la perte osseuse post-extractionnelle et réduire le temps de traitement. Toutefois, les études menées chez le chien par différents auteurs ont montré que cette technique ne permettait en aucun cas d'éviter la resorption post-extractionnelle. La mise en place précoce d'un implant dans une alvéole déshabitée permet seulement de limiter cette dernière. Le but de note étude animale a donc été, dans les cas d'extraction/implantation immédiate, d'évaluer la perte osseuse obtenue au travers des résultats tomodensitométriques et histovolumétriques, perte osseuse comparée, à celle mesurée dans les chirurgies de comblement ainsi que dans les chirurgies régénératives avec membranes positionnées en supra ou intra-alvéolaire. Nous avons également souhaité évaluer l'intérêt de la régénération osseuse guidée dans la préservation du volume osseux lorsqu'une prothèse sur implant est envisagée. Notre choix s'est porté sur une membrane collagénique résorbable qui ont montré au travers de nombreuses études certains avantages : biocompatibilité satisfaisante, exposition n'engendrant pas un échec de la chirurgie et enfin une résorbabilité évitant une chirurgie de dépose. Concernant le matériau de comblement, nous avons opté pour une allogreffe corticale afin d'évaluer la cicatrisation osseuse obtenue, la résorbabilité du matériau et la qualité de l'interface os/implant. Dans une première partie, nous ferons un rappel sur le tissu osseux et son remodelage après avulsion. La seconde partie sera consacrée aux techniques de préservation du volume osseux, la troisième partie faisant le point sur la technique d'extraction/implantation immédiate d'un point de vue cicatrisation osseuse. Enfin la quatrième et dernière partie sera consacrée à l'étude animale. / Post-extraction resorption is nowadays an inevitable consequence of teeth extraction. This loss, during prosthetic implant rehabilitation, strongly affects aesthetic and functional results.Guided bone regeneration, issue from the guided tissular regeneration, using autogenous bone, xenograft or still allograft associated or not with a barrier membrane shows benefits in the conservation of bone volume.The delays of osteointegration having nowadays been reduced with a good rate of implant survival; immediate extraction-implantation is supposed to avoid post-extraction resorption and to reduce overall treatment time. However, animal studies from many authors showed that this technique cannot avoid the post-extraction resorption. The immediate implantation only allows to reduce it.The purpose of our animal study was to estimate the bone loss for immediate extraction-implantation technique through the histotomodensimetric and histovolumetric measurements. Bone loses were compared for allogenic bone grafting associated or not with supra or intra alveolar barrier membranes. We investigate also the benefits of guided bone regeneration in the preservation of bone volume for delayed implantation. The parameters followed were the alveolar bone loss, the resorbability of the material and the quality of bone/ implant interface. We selected absorbable collagenic barrier membrane which have shown in numerous studies many advantages: good biocompatibility, exposure don't challenge clinical results and resorbability avoiding an additionnal removal surgery. Concerning the bone grafting material, we opted for a cortical allograft. In the first chapter, we made a review of the bone histology and physiology and of its remodeling after extraction. The second chapter is dedicated to alveolar bone preservation techniques and in the third chapter we reviewed immediate extraction-implantation surgical techniques from the point of view of bone healing. Finally the fourth part of our thesis is dedicated to the presentation and analysis of our animal study.

Le cartilage articulaire est composé de chondrocytes et d'une matrice extracellulaire organisés de manière stratifiée dans l'épaisseur du tissu. Ce tissu ne se régénère pas de manière efficace après une lésion. L'objectif de ce travail est de construire par pulvérisation des hydrogels à base d'alginate et de film multicouches de polyélectrolytes pour créer in vitro un néotissu pouvant combler des lésions de cartilage articulaire. La méthode a été validée en observant une bonne viabilité et une synthèse matricielle par les cellules, et de meilleures propriétés mécaniques des hydrogels pulvérisés à 0,9 bar par rapport au moulage. Après la pulvérisation de cellules souches mésenchymateuses, les résultats ont montré une bonne viabilité et une différenciation des cellules. Puis, des hydrogels bistratifiés ont été construits et cultivés jusqu'à 56 jours sans dissociation des couches et sans migration des cellules. Enfin, les hydrogels ont été fonctionnalisés en modifiant la composition des couches et en y appliquant des stimulations mécaniques. Les propriétés mécaniques des hydrogels varient en fonction de leur composition et sont meilleures pour ceux stratifiés. De plus, leur stimulation mécanique a permis de potentialiser l'effet du biomatériau sur la différenciation des cellules. En conclusion, cette étude montre que des cellules souches mésenchymateuses ensemencées dans un hydrogel bistratifié pulvérisé sont fonctionnelles en termes de différenciation chondrocytaire et de synthèse matricielle. Les propriétés mécaniques des hydrogels stratifiés ne sont pas altérées. De plus, la stimulation mécanique a potentialisé la différenciation des cellules / The articular cartilage is composed of chondrocytes and of a specific extracellular matrix which are organized depth-dependently. The tissue did not have an efficient self-renewal of defects. The purpose of this study is to build up layer-by-layer a stratified hydrogel by alternating gels and multilayers polyelectrolytes film spraying, in order to obtain a neotissu in vitro to fill lesions. First, the process was validated by observing a good cells viability and matrix synthesis, and stronger mechanical behaviors of sprayed hydrogels compared to molded one. Secondly, after their spraying, mesenchymal stem cells still have a good viability and their differentiation potential. Then, bistratified scaffolds were built up and cultured up to 56 days without layers dissociation and without cells migration between layers. Finally, scaffolds were functionalized by changing biomaterial composition and by applying mechanicals stimulations. Results show us not only that the composition influences the mechanical behavior of the hydrogel, but that the stratification did not affect it. Furthermore, mechanicals stimulations improve stem cells differentiation in function of biomaterials compositions. In conclusion, this study proves not only that we are able to build up stratified scaffold seeded with mesenchymal stem cells which still have their differentiation capability and synthesize matrix, but that mechanical behaviors are improved after the biomaterial spraying and not alter by the stratification. Moreover, mechanical stimulation applied to the scaffold improves the differentiation of mesenchymal stem cells to a chondrogenic phenotype

En ingénierie tissulaire, les biomatériaux, les cellules et l'induction de la différenciation, sont des facteurs à prendre en compte. L'objectif de cette étude est de connaitre l'effet de la nature des biomatériaux et leurs propriétés mécaniques sur la différenciation des cellules souches mésenchymateuses de la moelle osseuse. Dans un premier temps, nous avons étudié l'effet d'un biomatériau de nature protéique (le collagène de type I) supplémenté en microparticules d'hydroxyaptatite (HAP). Nous avons constaté que l'ajout d'HAP améliore les propriétés mécaniques de ce biomatériau et engage la différenciation des cellules vers des phénotypes ostéoarticulaires. Dans un deuxième temps, nous avons étudié l'effet d'un biomatériau à base d'alginate supplémenté par de l'acide hyaluronique ou des microparticules d'HAP, en utilisant un plan d'expériences pour choisir les matrices convenables pour l'étude biologique en fonction de leurs propriétés mécaniques. Nous avons constaté que les composants de ce biomatériau ont un effet sur l'élasticité de ce dernier et sur la différenciation des cellules souches mésenchymateuses. En conclusion, cette étude montre que les cellules souches mésenchymateuses sont sensibles à la composition du biomatériau et ses propriétés mécaniques / In tissue engineering, biomaterials, cells and the induction of cell differentiation are factors to be studied. The aim of this study is to know the effect of biomaterials composition and mechanical properties on the differentiation of mesenchymal stem cells from bone marrow. At first, we studied the effect of a protein biomaterial (collagen type I) supplemented with hydroxyaptatite (HAP) particles. We found that the addition of HAP improves the mechanical properties of the biomaterial and conditione cell differentiation towards osteoarticular lineages. In a second step, we studied the effect of biomaterial composed of alginate supplemented with hyaluronic acid or HAP particles, using an experimental design to select suitable matrices for biological study based on their mechanical properties. We found that the components of this biomaterial have an effect on elasticity of the latter and the differentiation of mesenchymal stem cells. In conclusion, this study shows that mesenchymal stem cells are sensitive to the composition of the biomaterial and its mechanical properties

Le cartilage a une capacité de régénération très limitée car il n'est pas vascularisé. Laréparation de ce tissu est un défi et les techniques chirurgicales actuelles sont insatisfaisantes à longterme. Le cartilage est donc un bon candidat pour l'ingénierie tissulaire. La transplantation dechondrocytes autologues (TCA) a été la première thérapie cellulaire développée en rhumatologie maiscette procédure implique une amplification des cellules qui aboutit à une perte du phénotypechondrocytaire (perte de l'expression du collagène de type II, protéine majoritaire du cartilage), auprofit d'un phénotype fibroblastique (caractérisé par l'expression du collagène de type I, retrouvé dansles tissus fibreux). La TCA conduit donc à une greffe de chondrocytes dédifférenciés produisant unfibrocartilage, dont les propriétés mécaniques sont inférieures à celles du cartilage articulaire.Aujourd'hui, les agences de santé au niveau international s'accordent pour dire que cette procédurenécessite d'être améliorée, par un meilleur contrôle du phénotype cellulaire et l'utilisation debiomatériaux pour mieux combler les lésions articulaires. Il s'agit donc de passer de la thérapiecellulaire à l'ingénierie tissulaire du cartilage.L'objectif de nos travaux a été d'évaluer la capacité d'un gel innovant de peptides autoassemblants,l'hydrogel IEIK13, à jouer le rôle de support pour des chondrocytes humains afin qu'ilsproduisent une matrice cartilage sous l'action de facteurs chondrogéniques. L'objectif visé a été lacréation d'un gel cartilage implantable par arthroscopie. Le défi a été de surmonter la dédifférenciationdes chondrocytes inhérente à leur amplification et incontournable pour augmenter le réservoircellulaire. L'amplification de chondrocytes humains a été réalisée en présence de FGF-2 et d'insuline(cocktail FI) puis leur redifférenciation a été induite en gel IEIK13 sous l'action de BMP-2, d'insuline etd'hormone T3 (cocktail BIT). C'est la combinaison sélective des deux cocktails qui permet la séquencedédifférenciation-redifférenciation. Le phénotype des chondrocytes et la nature de la matriceextracellulaire synthétisée en gel ont été évalués dans un premier temps in vitro, par des analyses dePCR en temps réel, Western-blots et d'immunohistochimie. Dans un second temps, nous avonstransplanté le gel cartilage dans des lésions articulaires de genou d'un modèle original de primate nonhumain(singe cynomolgus), un type de gros animal dont la posture et le fonctionnement desarticulations s'apparentent à l'homme. Nos études d'imagerie non invasive (telle qu'elle est pratiquéechez l'homme) et immunohistochimiques trois mois après implantation montrent une réparationsatisfaisante des lésions, en comparaison avec les lésions laissées non comblées. L'ensemble de nosrésultats montre pour la première fois que l'hydrogel IEIK13 est un biomatériau favorable pourreconstruire le cartilage et que le primate non-humain est un modèle préclinique unique pour évaluerl'efficacité de l'ingénierie tissulaire du cartilage / Cartilage is not vascularized and presents poor capacity of self-regeneration. Repairing thistissue is a challenge and current surgical techniques are not satisfactory in the long term. Cartilage isthus a good candidate for tissue engineering. Autologous chondrocyte transplantation (ACT) was thefirst cell therapy developed for cartilage repair. This procedure implies amplification of cells whichresults in chondrocyte dedifferentiation (loss of expression of type II collagen, the major protein ofcartilage and acquisition of expression of type I collagen, the major protein found in fibrous tissues).Thus, ACT results in implantation of fibroblastic cells producing fibrocartilage with biomechanicalproperties inferior to native articular cartilage. The international health agencies agree that ACT needsto be improved with better control of the chondrocyte phenotype and use of biomaterials. Therefore,cell therapy of cartilage needs to move towards tissue engineering of cartilage.The objective of our study was to evaluate the capacity of an innovative self-assemblingpeptide (IEIK13) to support cartilage matrix production by human chondrocytes. Our goal was to createa cartilage gel that can be implanted by arthroscopy. A main challenge was to meet the problem ofchondrocyte dedifferentiation induced by cell amplification necessary to increase the cellularreservoir. Amplification of human chondrocytes was performed in the presence of FGF-2 and insulin(cocktail FI), and redifferentiation was subsequently induced in IEIK13 gel with BMP-2, insulin, andtriiodothyronine T3 (cocktail BIT). The specific combination of these two cocktails alloweddedifferentiation-redifferentiation of chondrocytes. The status of the chondrocyte phenotype and thenature of the extracellular matrix secreted in gel were first assessed in vitro by real-time PCR, Westernblottingand immunhostochemistry analyses. With a view of clinical application, we then transplantedIEIK13-engineered cartilages into defects created in knees of an original model of non-human primate(cynomolgus monkey), a type of large animal whose anatomy and biomechanics mimic human. Ournon-invasive imaging analyses and our inmmunohistochemical studies performed three months afterimplantation show correct reparation of the lesions, in comparison with the defects left untreated.Altogether, our results demonstrate for the first time that IEIK13 is a suitable biomaterial for cartilagerepair and that cynomolgus monkey represents a unique preclinical model to evaluate efficiency ofcartilage tissue engineering.

Dans une logique d’éco-conception et de développement durable, de nombreux travaux ont pour objectif l’étude de polymères biosourcés. Parmi les recherches menées à ce jour, une piste d’étude consiste à les structurer aux échelles micro et nanoscopiques tout en valorisant certaines de leurs propriétés spécifiques, l’objectif étant la création de matériaux à propriétés fonctionnelles originales et performantes. Dans ce contexte, une attention particulière a été portée sur l’utilisation du dioxyde de carbone supercritique (CO2-sc). En effet, sa capacité à se solubiliser en grande quantité dans de nombreux polymères et donc d’en modifier les propriétés (viscosité, tension interfaciale, …) peut permettre une amélioration des matériaux composites fabriqués. Ce projet s’intéresse plus particulièrement à l’élaboration d’assemblages de biopolymères nanostructurés et revêt deux enjeux principaux : (1) la synthèse de nanoparticules de biopolymères (dans notre cas, du chitosane), (2) l’élaboration d’assemblages de biopolymères nanostructurés. La première étape a consisté à concevoir et développer de nouveaux procédés de génération de nanoparticules de chitosane par des procédés utilisant le CO2-sc soit comme antisolvant soit comme agent de dissolution et d'atomisation. Pour la deuxième étape, des films composites à base de poly (acide lactique) PLA et de poly (hydroxybutyrate-co-valérate) PHBV ont été préparés par la voie hot-melt par extrusion bi-vis. Des analyses thermiques, moléculaires et structurales, morphologiques et de granulométrie ont permis de caractériser les films biocomposites ainsi produits. / In a logic of eco-design and sustainable development, many works aim to study the bio-sourced polymers. Among these studies, a promising concept consists in structuring materials at micro and nanoscales while enhancing some of their properties, the objective being the creation of original materials with improved functional properties and performance. In this context, particular attention has been paid to the use of supercritical carbon dioxide (sc-CO2). Its ability to dissolve into many polymers in large quantities and thus to change their properties (viscosity, interfacial tension, ...), can improve both the composite material and its manufacturing process. This project focuses on the development of nanostructured biopolymers and addresses two main issues: (1) the synthesis of biopolymer nanoparticles (in this case, chitosan), and (2) the development of nanostructured biopolymers. The first step consisted in designing and developing new processing methods to generate biopolymer nanoparticles, using sc-CO2 as antisolvent agent or as dissolving and atomizing agent. For the second step, poly (lactic acid) PLA and poly (hydroxybutyric-co-hydroxyvaleric acid) PHBV based composite films were prepared by a hot-melt process by twin-screw extrusion of the nanoparticles and the matrix. Thermal, molecular and structural analysis, as well as morphological and particle size distribution studies allowed a good characterization of the biocomposite films.

Compte tenu de leur bioactivité et de leur ostéoconduction, les revêtements d’hydroxyapatite (HA) favorisent le développement de tissu osseux et contribuent à l’adhérence et à la prolifération des cellules osseuses tout en préservant l’intégrité mécanique du dispositif métallique de l’implant. Toutefois, des signes de résorption de cette couche ont été constatés et l’introduction du procédé de projection plasma pour la réalisation de dépôts d’HA a donné lieu à plusieurs controverses. Certaines études ont montré que les dépôts d’HA par projection plasma présentent une mauvaise adhérence sur le titane, une dégradation et écaillage avec le temps. Ce phénomène est attribuable à la décomposition de l'HA au cours de la projection et à l'existence de phases secondaires cristallisées ou amorphes qui fragilisent le dépôt. A l’heure actuelle, les recherches de nouvelles apatites thermiquement plus stables se développent. Ainsi des dépôts à base de fluorapatite ou de fluorhydroxyapatite fournissent des dépôts plus stables et plus adhérents. Il existe d’autres formes d’apatites comme la chlorapatite (ClA) qui fond sans se décomposer ce qui permettrait d’éviter la formation des phases étrangères qui provoquent l’écaillage du dépôt. Ce travail porte sur la synthèse et la caractérisation de phosphates de calcium apatitiques destinés au recouvrement de prothèses ostéoarticulaires et/ou d’implants dentaires métalliques. L’élaboration des poudres d’apatite a été réalisée par réaction solide-solide, en solution aqueuse ou en sel fondu. Plusieurs apatites ont été étudiées : la fluorapatite, la fluorhydroxyapatite, la chlorapatite et l’apatite calcostrontique. On obtient des poudres pures, bien cristallisées et stoechiométriques. Nous avons ensuite étudié la stabilité thermique des poudres d’apatite par analyse thermogravimétrique. La stabilité thermique de la ClA et sa fusion sans décomposition permettent d’obtenir des dépôts sans phases secondaires avec un taux de cristallinité élevé. Parmi toutes les poudres étudiées, nous avons choisi de sélectionner la chlorapatite pour la suite de l’étude ainsi que l’hydroxyapatite comme référence. La poudre de ClA est déposée sur un substrat en titane via une mini-torche plasma mobile à basse énergie, conçue pour les implants dentaires ou orthopédiques de petites tailles et de géométries complexes. La projection par la mini-torche plasma permet de réaliser des dépôts fins et adhérents. Les propriétés structurales et microstructurales des dépôts de ClA et d’HA effectués dans les mêmes conditions ont été évaluées par diffraction des rayons X, spectroscopies FTIR et Raman. L’analyse des revêtements de ClA et d’HA par diffraction des rayons X atteste de la présence d’une seule phase cristalline. Néanmoins, le rapport de cristallinité des dépôts de ClA est largement supérieur à celui des dépôts d’HA, pour lesquels le rapport de cristallinité est supérieur à la norme requise. Ce résultat est du à la stabilité thermique de la ClA par rapport à l’HA. Les spectroscopies FTIR et Raman montrent la présence d’un faible taux de phase amorphe et d’oxyapatite. Nous avons également développé une nouvelle méthode semi-quantitative par cartographie Raman permettant de déterminer l’homogéneité de composition du dépôt. Enfin, nous avons montré que l’adhérence des dépôts de ClA au substrat déterminée suivant la norme ASTM C633 est équivalente à celle de l’HA. La réponse biologique des dépôts a été étudiée in vitro avec des cellules pré-ostéoblastes humaines sur les deux compositions ClA et HA. Les tests montrent que quelle que soit la composition du dépôt, la prolifération cellulaire augmente au cours du temps d’incubation. Une étude in vivo a été menée sur un modèle animal ovin en site fémur et humérus pour des durées de 2 et 6 mois afin d’évaluer le potentiel ostéoconducteur des dépôts d’HA et de ClA. Aucune réaction inflammatoire n’a été observée et l’interprétation des résultats d’analyses histologiques et physico-chimiques est en cours. / Plasma-sprayed hydroxyapatite (HA) has been shown to enhance bone apposition as compared with uncoated metal implants. In spite of their good clinical performances, implant bio-integration is still limited due to the poor adhesion of HA-coating on the titanium surface and the decomposition of HA into several foreign phases during plasma spray. The plasmaspray process was thus considered not to be optimum for HA coatings. To circumvent these disadvantages, other types of calcium phosphates have been proposed to replace HA, such as tricalcium phosphate or biphasic calcium phosphate with little improvement. Chlorapatite (ClA) however has never been tested despite its ability to melt without decomposition which could be a decisive advantage to avoid apatite decomposition and could increase coating crystallinity. This work concern the synthesis and the characterization of apatitic calcium phosphate as coating for endoprostheses and dental implants. The syntheses of the different apatite powders were performed by solid-solid reaction, in aqueous solution or by molten salt reaction. Several apatites were studied: fluorapatite, fluorhydroxyapatite, chlorapatite and strontium substituted apatite. The as-synthesized powders are pure, well crystallized and stoechiometric. The thermal properties of apatite powders were compared using thermogravimetric analysis. The thermal stability of ClA and its melting without decomposition allows to obtain deposits with no secondary phases and with a degree of crystallinity close to 100 %. We have therefore chosen ClA and HA as feedstock powders to achieve coatings. The as-synthesized ClA powder was deposited on a titanium substrate using a novel low energy plasma mini-gun characterized by a low power range (<13 kW) and portability allowing in-situ coating deposition designed for dental and orthopedic small implants with complex geometry. The plasma spray with the mini-gun gives thin and adherent coatings. It also provides economic benefits such as low energy and a higher yield of feedstock powder than conventional gun. The structural and microstructural properties of ClA and HA coatings performed under the same conditions were evaluated by X-ray diffraction, Raman and infrared spectroscopy. X-ray diffraction analyses on the ClA and HA coatings indicate the presence of crystalline apatite as the only crystalline phase. However, the crystallinity ratio of ClA coatings was much higher than that of HA coatings but superior to the required standard in both cases. This difference is due to the thermal stability of ClA powder. IR and Raman spectroscopy shows the presence of low levels of amorphous phase and oxyapatite. We have also developed a new semiquantitative method by Raman imaging in order to determine coating homogeneity. The mechanical properties of coatings were determined according to the standard test measurements ASTM C633. The adhesion of ClA coatings to the substrate is equivalent to HA coatings. The biological response of the coatings was studied in vitro with human preosteoblast cells on both ClA and HA coatings. Tests show that wathever the composition of coating, cell proliferation increases with time of incubation. The in vivo osteoconductive properties of coatings were studied in femur and humerus sites of an ovine animal model during 2 and 6 months. No inflammatory reaction has been observed and the interpretation of histological and physico-chemical results is in progress.

L’accroissement de l’espérance de vie s’accompagne d’une détérioration de l’état de santé général des seniors et d’une recrudescence des maladies chroniques. Parmi les manifestations de la sénescence, l’atteinte de l’appareil locomoteur est particulièrement invalidante et accélère considérablement l’entrée en dépendance. C’est également le cas chez les plus jeunes lors d’atteintes traumatiques ou pathologiques. Ainsi, au niveau mondial 2,2 millions de greffes osseuses sont pratiquées chaque année, mais le taux de complications post-opératoires demeure élevé et est estimé à 15 % des interventions. Ces faits dessinent les contours d’un enjeu sociétal majeur ; les matériaux d’origine animale posent des problèmes d’histocompatibilité, de pathogénicité et donc de rejet. C’est pourquoi les efforts de recherche ciblent prioritairement le développement de biomatériaux synthétiques aptes à promouvoir la régénération osseuse. Actuellement les principaux substituts osseux sur le marché sont les « céramiques » bioactives (phosphates de calcium, verres bioactifs) qui présentent comme caractéristiques d’être biocompatibles, de se lier spontanément aux tissus osseux, de promouvoir l’adhésion des cellules osseuses et enfin d’être biorésorbables. Cependant, malgré cet ensemble de caractéristiques très satisfaisantes, la fragilité de ces matériaux en limite les applications. Pour pallier ce défaut, une solution ingénieuse est de s’inspirer de la structure particulière du tissu osseux. Celle-ci mêle intimement une phase inorganique, le minéral osseux constitué de cristaux d’apatite (phosphate de calcium résorbable), à une phase organique qui est majoritairement du collagène. De manière remarquable, une telle structure associe la rigidité de la partie inorganique à la ténacité des fibres de collagène. Pour obtenir des implants aux propriétés mécaniques proches du tissu osseux, la stratégie consiste donc à combiner céramiques bioactives et matière organique. À cette fin, l’équipe Biomatériaux du Laboratoire de Physique de Clermont (LPC) a récemment mis au point un procédé innovant qui permet la synthèse de matrices tridimensionnelles d’hybrides organique-inorganique à base de verre bioactif et de polymère biocompatible aux caractéristiques variées. Dans la continuité des travaux, il était alors question d’exploiter ce procédé afin de développer un substitut osseux hybride aux propriétés optimisées. Il s’agissait tout d’abord de sélectionner le polymère le plus adéquat pour la régénération osseuse, qui s’est avéré être le polycaprolactone, puis d’optimiser la synthèse (notamment la source de calcium), la structure macroporeuse et la proportion organique-inorganique. Le matériau hybride résultant a ensuite été dopé en éléments thérapeutiques à faible dose (< 5 % de la masse totale) avec des ions strontium ou des nutriments tels que la fisétine et l’hydroxytyrosol qui possèdent un effet ostéogénique. Les mousses hybrides ainsi développées ont finalement été caractérisées in vitro afin de déterminer leurs propriétés physico-chimiques et biologiques, et in vivo afin d’évaluer leur performance. Après 3 mois d’implantation dans un défaut critique de la calvaria de souris, les résultats démontrent le potentiel de ce substitut osseux: comparé au matériau commercial de référence (os bovin traité) qui conduit à une reconstruction osseuse de 16% (± 5%), l’hybride permet une reconstruction allant de 32% (± 3%) lorsqu’il n’est pas dopé, jusqu’à 55% (± 7%) voire 58% (± 7%) lorsqu’il est dopé respectivement en fisétine ou en strontium. Ces travaux de thèse laissent entrevoir des perspectives prometteuses telles que l’association des dopants et l’impression 3D des mousses hybrides polycaprolactone-verre bioactif. / The increase in life expectancy results in the decline of seniors’ health conditions and the resurgence of chronic diseases. Among the expressions of senescence, disorders of the musculoskeletal system are particularly disabling and considerably accelerate the state of dependency. This is also the case for young people who suffer from traumatic injuries or pathologic conditions. Thus, about 2.2 million bone grafts are performed worldwide every year. Yet, the level of postoperative complications remains high and is estimated at 15% of surgical operations. These facts outline a major societal concern: animal-based materials present a risk of histocompatibility issues and pathogenicity that may lead to implant failure. This is the reason why research efforts focus on the development of synthetic biomaterials capable of promoting bone regeneration. Currently, commercialised bone substitutes are mainly made of bioactive “ceramics” (calcium phosphates, bioactive glass) that are known to be biocompatible, to spontaneously bond to bone tissues, to promote bone cell adhesion and finally to be bioresorbable. However, despite these remarkable properties, the brittleness of these materials limits their applications. An ingenious solution to this brittleness can be learned from the particular structure of bone tissue. Bone tissue intimately blends an inorganic phase, the bone mineral, which is made of apatite crystals (resorbable calcium phosphates), with an organic phase that is mainly collagen. Such a structure associates the stiffness of the inorganic part with the toughness of collagen fibres. Therefore, in order to obtain implants with mechanical properties similar to that of bone, the strategy consists in combining bioactive ceramics with organic matter. To this end, the Biomatériaux team from the Laboratoire de Physique de Clermont (LPC) recently developed an innovative process that allows the synthesis of tridimensional organic-inorganic hybrids comprised of bioactive glass and biocompatible polymer. The objective of the thesis was to exploit this process in order to develop a hybrid bone substitute with optimal properties. First of all, polycaprolactone was selected as the polymer, especially because of its adequate degradation rate for long-term applications such as bone regeneration. Then, the synthesis process was improved (in particular, the calcium source was changed), the macroporous structure was optimised and the organic-inorganic ratio was chosen. Afterwards, elements that are known to induce an osteogenic effect were incorporated in the hybrid at low doses (< 5% of total weight): an inorganic doping was performed using strontium ions and an organic doping was performed using nutrients such as fisetin or hydroxytyrosol. The resultant hybrid scaffolds were eventually characterised in vitro in order to determine their physicochemical and biological properties and in vivo in order to evaluate their performance. After 3 months of implantation in a mouse calvarial critical defect, results demonstrate the potential of this bone substitute: compared to the reference commercial material (treated bovine bone) that leads to a bone reconstruction of 16% (± 5%), the hybrid allows a reconstruction going from 32% (± 3%) when it is not doped, to 55% (± 7%) and even 58% (± 7%) when it is doped respectively with fisetin or strontium. This thesis paves the way to promising perspectives like the association of doping agents and the 3D printing of polycaprolactone-bioactive glass hybrid scaffolds.

L’absence de croissance en monocouche des cellules endothéliales sur la paroi des prothèses vasculaires est une des causes d’échec de leur implantation chez l’humain. Des études précédentes ont montré que le recouvrement de ces prothèses par un échafaudage de nanofibres d’acide polylactique (PLA), fabriqué par un système de filage par jet d’air innovant, peut être utilisé pour promouvoir la croissance des cellules endothéliales de façon adéquate. Ainsi, le caractère dégradable d’un matériau comme le PLA permettrait son remplacement graduel par la matrice extra-cellulaire produite par les cellules. D’autre part, la réussite d’une transition entre les nanofibres dégradables et la matrice extra-cellulaire nécessite un remplacement contrôlé et approprié. Or, la dégradation des nanofibres de PLA, dépendant de ses séquences stéréochimiques, est généralement trop longue et peut induire une cytotoxicité relative pendant sa dégradation. Dans ce contexte, les études de cette thèse ont pour objectifs de mieux comprendre la formation des fibres lors du filage, d’optimiser la fabrication des échafaudages permettant ainsi la création de nanofibres d’autres polymères, puis, de concevoir des nanofibres provenant d’un polymère mieux adapté à nos besoins, d’évaluer leur mécanisme de dégradation et sa cytotoxicité durant sa dégradation. Les travaux d’optimisation du système de filage ont démontré que la concentration avec un effet prépondérant. Ainsi, la mesure de la viscosité permet de trouver les paramètres adéquats pour le filage de polymère. Ensuite, un poly(L-lactide) semi-cristallin (PLLA) et un terpolymère de poly(lactide-co-ε-caprolactone) (PLCL) dédié pour des applications vasculaires ont été synthétisés et filés par jet d’air. Ces échantillons ont été dégradés en solution aqueuse et caractérisés par des méthodes physico-chimiques afin de mieux comprendre leurs mécanismes de dégradation et mis en présence de cellules endothéliales pour évaluer leur cytotoxicité. La comparaison entre les échafaudages des deux polymères a montré des comportements singuliers en dégradation, dépendants des caractéristiques thermiques des polymères. De plus, ces mécanismes de dégradation des nanofibres ont une influence directe sur la sensibilité des cellules endothéliales face aux produits de dégradation. En conclusion, ces travaux de doctorat présentent une solution prometteuse pour améliorer les prothèses vasculaires et qui pourrait être appliquée pour résoudre plusieurs problématiques en médecine régénératrice. / The absence of neo-endothelium on the intimal surface of vascular substitutes is known to be one cause of failure upon implantation of these prostheses in humans. Previous studies have shown that the coating of these substitutes with a nanofiber scaffold, made with an innovative air spinning device, can be used to promote a suitable endothelial cells growth. On one hand, the degradable feature of material as PLA enable the progressive replacement of the scaffold by the extracellular matrix of cells. On the other hand, the success of this replacement between degradable nanofibers and the extracellular matrix requires to be appropriate and controlled. Yet, the PLA nanofiber degradation process, which depends on its stereosequences, is generally too long for this application and could involve cell sensitivity during the degradation. In this context, studies from this thesis aim to understand the fibers formation during spinning, optimizing the scaffold fabrication as well as to promote the making of novel polymer scaffolds, then, design solution to polymeric nanofiber scaffolds for vascular application, evaluate its degradation mechanism and cytotoxicity during degradation process. The work on spinning device optimisation has demonstrated that the concentration had a dominant effect. Thus, viscosity measurements enable to find suitable parameters for polymer spinning. Then, a semi-cristalline poly(L-lactide) (PLLA) and a poly(lactide-co-ε-caprolactone) (PLCL) terpolymer specifically made for vascular application have been synthesized and air-spun. These samples were degraded in aqueous solution and characterized by physical and chemical methods to better understand their degradation mechanisms and seeded with endothelial cells to evaluate their cytotoxicity. The comparison between the two polymers scaffolds have shown surprising degradation behaviors depending on thermal properties of polymers. Moreover, these nanofiber degradation mechanisms have a direct influence on endothelial cells sensitivity with degradation by-products. To conclude, these works of doctorate display a promising solution to improve vascular prostheses and which could be applied to solve several issues in regenerative medicine field.

Les microsphères polymériques, biodégradables et biocompatibles sont prometteuses comme échafaudages pour fournir des cellules aux tissus sans dommage et améliorer la réponse des cellules souches. Il a été montré que les microparticules à base de PLGA à base de protéines ECM préparées par une technique d'extraction par solvant en émulsion améliorent l'adhésion et la prolifération des cellules souches. Bien qu'un certain effet biologique du revêtement protéique sur les microparticules de polymère soit établi, il n'est pas bien compris car des informations détaillées sur l'interaction entre les propriétés de surface des particules chimiques et physiques, l'adsorption protéique et la réponse cellulaire restent floues. Le but de cette étude est d'établir une relation entre les propriétés de surface des particules qui proviennent des variables utilisées lors des formulations, l'adsorption des protéines et la réponse des cellules souches pour permettre une conception plus rationnelle des microparticules. Deux types de polymères différents (PLGA et PLGA-P188-PLGA) et deux stabilisants d'émulsion différents; un polymérique PVA et une huile polaire Propylène glycol ont été utilisés pour préparer quatre types de particules dans un procédé en émulsion. Les particules ont été caractérisées en termes de taille, charge, topographie et morphologie et chimie de surface Identification des effets des variables dans la chimie et l'émulsifiant des polymères Des surfaces de polymère plat recouvertes de spins sont générées pour comprendre les interactions entre les polymères et les molécules d'adhésion de la fibronectine et de la poly-D-Lysine pour la fonctionnalisation des microparticule. / Polymeric, biodegradable and biocompatible microspheres are promising as colloidal scaffolds to deliver cells to tissues without damage and to enhance stem cell survival. It has been shown that PLGA (poly(lactic-co-glycolic acid)) based microparticles prepared by an emulsion solvent extraction technique and functionalised with ECM proteins improves stemcell adhesion and proliferation. While it is established that the presence of proteins in these systems has abiological effect, the interplay between microparticle properties and cells is poorly understood because there lationship between chemical and physical particle surface properties, protein adsorption and cell response remain unclear. Protein adsorption on a polymer particle surface is a complex phenomenon that is affected by different interfacial mechanisms/forces (e.g. DLVO and non-DLVO forces) and inherents tructural properties of macromolecules (e.g. polymers, surfactants, peptides and proteins) present on surface, establishing the parameters that involves inprotein/peptide adsorption on microparticles insights the logical design of the particles as a biomaterial useby contributing the understanding of another related complex phenomenon of the colloidal biomaterial-cell interface interaction in tissue engineering where limited study available to fully understand the concept.The purpose of this study is to investigate the impact of different formulation approaches on the physicochemical properties of the microparticles and identify connections between the particle properties, protein adsorption and ensuing cell response on these materials. To examine these, two different polymertypes (PLGA and PLGA-P188-PLGA) and two different emulsion stabilizers; a polymeric surfactant (PVA(Polyvinyl alcohol) and a polar oil propylene glycol were used to prepare four different types of particles in an emulsion process (O/W). Particles were characterized in terms of size, charge, topography, morphology and surface chemistry to identify the effect of the variables of polymer chemistry and use of surfactant on particle properties in first part of the study. Spin coated flatpolymer surfaces were generated to understand the interactions between the polymers and the proteins (fibronectin /poly-d-Lysine).