Les films multicouches de polyélectrolytes sont des auto-assemblages de polymères chargés formant des films dont l'épaisseur peut être variée de quelques nm à quelques µm. Un nombre croissant de travaux concerne la compréhension de leur mécanisme d'auto-assemblage et leur utilité pour modifier les propriétés physico-chimiques, topographiques ou mécaniques de surface de (bio)matériaux. Dans cette thèse, nous avons étudié les propriétés de films à base de poly(L-lysine) et de polysaccharides connus pour leur rôle physiologique, notamment le hyaluronane, la chondroïtine sulfate et l'héparine. Les compositions internes de ces films mono-constituants ou à base de mélanges de polyélectrolytes ont été sondées. L'influence de la chimie des polyélectrolytes sur la formation des films, en particulier l'importance des groupements sulfates, a été mise en évidence. Leur potentiel comme vecteur de délivrance d'un facteur de croissance, la BMP-2, a été évalué. De fortes quantités de BMP-2 ont pu être chargées dans les films à base de hyaluronane. Nous avons pu contrôler les quantités insérées en faisant varier la composition chimique des films, leur épaisseur ou la concentration en BMP-2 de la solution de chargement. Puis nous avons mis en évidence une différenciation contrôlée de façon dose-dépendante de cellules C2C12 pluripotentes sur les films bioactifs : différenciation myogénique (en absence de facteur) ou ostéoblastique. De plus, nous montrons qu'un contact des cellules avec le film bioactif est nécessaire pour induire leur différenciation. La protéine est donc présentée par « la phase solide », ce qui constitue un mode de présentation du facteur proche des conditions physiologiques. Des résultats préliminaires obtenus en recouvrant des biomatériaux orthopédiques par les films bioactifs laissent penser que ces films offrent des perspectives intéressantes dans le domaine de la régénération osseuse in vivo. / Polyelectrolyte multilayer films are self-assembled architectures forming nm to µm thick films. During the last decade, they have emerged as an efficient way of modifying materials surface properties such as chemistry, physico-chemical properties, topography as well as mechanical properties. Thanks to the technology's versatility and ease of use, polyelectrolyte multilayer films are now recognized as a new tool for modifying biomaterial surfaces and mediating cell behaviours and implant bio-integration. In this thesis, we studied the properties of poly(L-lysine) and polysaccharide-based multilayer films and focused on their physical-chemical properties as well as on their internal composition. In particular, we studies the influence of their chemistry (presence of carboxylic or sulfate groups) on film formation and characteristics. Three polysaccharides with increasing sulfate group content were chosen for this purpose: hyaluronan, chondroitin sulfate and heparin. The capacity of these films to act as a drug delivery vehicle for BMP-2 (a growth factor able to induce osteo-differentiation) was then assessed. High BMP-2 amounts were successfully loaded and retained in the films in a controlled manner. The loaded amounts could be modulated by varying the film's chemistry, film thickness or BMP-2 concentration in the loading solution. We showed that it is possible to control the extent of C2C12 cell differentiation in osteoblasts when cultured on the bioactive films. Importantly, when no BMP-2 is loaded in the films, the cells differentiated in to myotubes, their most common differentiation pathway. Cells needed a direct contact with the bioactive films to respond to BMP-2, suggesting that BMP-2 is mainly presented to the cells from the solid phase. Preliminary in vivo tests on film-coated orthopaedic biomaterials are encouraging. They showed that these films are interesting candidates for surface modification of orthopaedic biomaterials and may foster bone regeneration.

Les lésions de cartilage ne cicatrisent pas spontanément et la réparation de ce tissu est un challenge. Les techniques chirurgicales restant insatisfaisantes, la thérapie cellulaire et l'ingénierie tissulaire sont maintenant envisagées. La transplantation de chondrocytes autologues (TCA) existe déjà mais cette procédure nécessite l'amplification des chondrocytes qui s'accompagne d'une perte du phénotype différencié (dont l'indicateur est le collagène de type II), au profit d'un phénotype fibroblastique (dont l'indicateur est le collagène de type I, retrouvé dans les tissus fibreux). La TCA conduit donc à une greffe de chondrocytes dédifférenciés produisant un fibrocartilage, dont les propriétés mécaniques sont différentes du cartilage hyalin natif. L'objectif de mes travaux était de développer un nouveau kit d'ingénierie tissulaire du cartilage par association de chondrocytes humains, de biomatériaux et d'une sélection de facteurs solubles. Nous avons utilisé le cocktail FGF-2/insuline (FI) pour l'amplification cellulaire et le cocktail BMP-2/insuline/T3 (BIT) pour redifférencier les chondrocytes dans des éponges de collagène. Nos résultats ont montré que cette combinaison permet la synthèse d'une matrice cartilagineuse dans les supports collagène. Cependant, cette synthèse s'est trouvée favorisée en périphérie des éponges cultivées en conditions statiques. Nous avons ensuite utilisé un bioréacteur pour perfuser les éponges et nos résultats ont révélé alors un dépôt plus homogène de cartilage dans ces supports. De manière très intéressante, nous avons aussi observé l'arrêt de l'expression du collagène de type I. Ainsi, notre approche multifactorielle combinant des chondrocytes humains, des biomatériaux collagène, une combinaison FI-BIT et une culture en perfusion permet la reconstruction d'un cartilage non fibrotique / Cartilage lesions are irreversible and cartilage repair is challenging. Actual surgical techniques remain unsatisfactory and therefore, cell therapy and tissue engineering approaches are now considered. The Autologous Chondrocytes Transplantation (ACT) already exists but this procedure requires chondrocytes amplification. During this amplification, a dedifferentiation process occurs: chondrocytes lose their differentiated phenotype (characterized by type II collagen) towards a fibroblastic phenotype (characterized by type I collagen, a component of fibrous tissues). ACT leads to the graft of dedifferentiated chondrocytes, hence provoking the production of a fibrocartilage that presents different mechanical properties than native hyaline cartilage. The aim of my work was to develop a new kit of tissue engineering for cartilage repair using human chondrocytes, biomaterials and a selection of soluble factors. We used a cocktail of FGF-2 and insulin (FI) for cell amplification and a cocktail of BMP-2, insulin and T3 (BIT) for chondrocyte redifferentiation in collagen sponges. Our results showed that the combination allows the synthesis of a cartilaginous matrix in collagen scaffolds. However, matrix production is favored in periphery of the sponges cultivated in static conditions. A perfusion bioreactor was then used to perfuse the sponges and our results revealed a more homogeneous deposition of cartilage in the scaffolds. Very interestingly, we also noticed a stop of type I collagen expression. Thus, our multifactorial approach combining human chondrocytes, collagen scaffold, the combination FI-BIT and culture under perfusion allows the reconstruction of a non-fibrotic cartilage

Les Interfaces Cerveau-Machine assurent une connexion bidirectionnelle entre un patient et son environnement. Un patient atteint de déficience motrice lourde peut, au moyen d'un dispositif implanté dans son cerveau, commander des objets connectés par la seule action de son activité cérébrale. Une des premières exigences que cela requiert est de concevoir un implant, dit neuroprothèse, susceptible de rester implanté de façon chronique. L’utilisation des micro-nano-technologies permet de fabriquer une neuroprothèse qui réponde aux exigences d’un tel dispositif : performant, fiable et limitant la réaction de rejet par l’organisme. Pour cela, l’implant est conçu sur un substrat flexible à base de polymère biocompatible. La souplesse de l’implant lui permet de mieux s’adapter aux tissus cérébraux et d’assurer un contact intime avec les neurones en diminuant la réaction inflammatoire. Cet implant est inséré au moyen d’un support rigide biodégradable issu de la fibroïne de soie. Des premiers tests sur culture in vitro et sur petit animal (souris) ont montré des résultats prometteurs en termes de biocompatibilité et biostabilité sur le court et moyen terme. / Brain-Computer Interfaces ensure a bidirectional connection between a patient and his environment. Using an implant in his brain, a patient suffering from severe motor deficiency can control external devices through the sole action of his cerebral activity. One of the major requirements for such application is to conceive an implant, also called neuroprosthesis, that is able to be implanted for long periods of time.Micro-nano-technology enable the fabrication of a neuroprosthesis that gives in the demands of such item: efficient, reliable and limiting body rejection mechanisms. To that aim, the implant is designed on a flexible substrate provided by a biocompatible polymer. Implant flexibility allows for better compliance with the brain tissues and insures a more intimate contact with the neurons while maintaining minimal inflammation. This implant is inserted in the brain using a bioresorbable support made of silk fibroin. First tests in vitro on culture cells, and in vivo on mice showed promising results in terms of biocompatibility and biostability in the short and medium term.

De nos jours, de nombreuses maladies chroniques telles que le cancer ou l’arthrose nécessitent encore de nouvelles modalités de traitement. Des biomatériaux naturels capables de véhiculer des substances actives font partie des solutions à cette problématique. Récemment, des travaux ont été menés sur un nouveau type de biomatériau, les Complexes de Polyélectrolytes Compacts (CoPEC). Dans le cadre de cette thèse, des CoPEC à base de polyélectrolytes biosourcés, le chitosan et l’alginate, fonctionnalisés avec la β-cyclodextrine (βCD) ont été formulés. Le CoPEC βCD-chitosan/alginate, non-cytotoxique, a présenté des propriétés anti-inflammatoires intrinsèques dans le cadre d’un modèle in vitro d’inflammation. De plus, ce CoPEC a présenté une capacité à contenir et relarguer deux substances actives hydrophobes modèles, le piroxicam et la prednisolone. Enfin, une stratégie d’inclusion de substances actives hydrophiles au sein du matériau a été mise en œuvre. Le nouveau CoPEC est prometteur car il peut exposer un effet anti-inflammatoire intrinsèque et d’autres effets thérapeutiques via l’inclusion de substances actives au sein des cyclodextrines. / Nowadays, many chronic diseases, such as cancer or osteoarthritis, still need new modalities of treatment. Natural biomaterials able to convey active substances represent a solution to this problematic. Lately, several research works have been conducted on a new type of biomaterial named Compact Polyelectrolyte Complexes (CoPEC). As part of this thesis, CoPEC have been prepared from two biosourced polyelectrolytes, chitosan and alginate, functionalized with β-cyclodextrin (βCD). Through an in vitro inflammation model, the non-cytotoxic βCD-chitosan/alginate CoPEC has displayed intrinsic anti-inflammatory properties. Moreover, this CoPEC has demonstrated a capacity to host and release piroxicam and prednisolone, two model hydrophobic active substances. Finally, a strategy to include hydrophilic active substances into the material has been implemented.Thus, the newly CoPEC is promising because it can exhibit an intrinsic anti-inflammatory effect as well as other therapeutic effects through the inclusion of active substances into the cyclodextrins.

La transplantation d’îlots pancréatiques est une des thérapies proposées aux diabétiques de type 1. Cependant, la perte d’un nombre considérable d’îlots durant le processus est un frein à l’expansion de la thérapie (en culture : anoïkis et hypoxie ; lors de la greffe : réactions inflammatoires intenses déclenchées lors de l’infusion intra-portale). L’objectif de ce travail était de valider un biomatériau permettant d’optimiser la transplantation d’îlots. Nous avons pu démontrer l’efficacité du plasma réticulé sur la survie des îlots en culture via une diminution drastique de l’anoïkis. Nous avons également mis au point une technique de greffe intra-tissulaire à l’aide d’HPMC combinée à du plasma, permettant de reverser le diabète de manière semblable à la greffe hépatique. Ces travaux ont donc permis de valider l’importance d’un support de culture adapté, mais aussi du site receveur de la greffe et placé l’omentum comme site de choix pour ce type de greffe. / Pancreatic islet transplantation is one of the therapies proposed to type 1 diabetic patients. However, the considerable loss of islets during the process is an obstacle to the expansion of this therapy (culture: anoïkis and hypoxia; at graft time: intense inflammatory reactions triggered by intra-portal islet infusion). The objective of this work was to validate a biomaterial that can optimize islet transplantation. We were able to demonstrate the effectiveness of cross-linked plasma on the islet survival in culture through a drastic reduction of anoikis. We also design a new intra-tissular grafting technique using HPMC combined with plasma, which reversed diabetes in a manner similar to the liver. This work allowed validating the importance of an adapted culture support, but also the one of the recipient site. Also, this work placed the omentum as an excellent recipient site for this kind of transplant.

On retrouve CaCO3 dans de nombreux matériaux du Vivant, comme par exemple le corail, les carapaces et les coquilles de différents crustacés et mollusques. La croissance des différentes formes allotropiques de CaCO3 , aragonite, calcite et vatérite, en présence de molécules biologiques, est influencée en terme d'organisation cristalline, de microstructure et d'ordre à grande échelle (texture et ultrastructure). La voie électrochimique a été choisie dans ce travail pour sa vitesse de formation de dépôt ainsi qu'un bon contrôle des paramètres instrumentaux. Nous avons sélectionné l'aragonite dans le dépôt ainsi que sa croissance texturée rappelant celle de la nacre de Haliotis tuberculata tuberculata avec toutefois une orientation cristalline moins prononcée. Une croissance en plaquettes pseudo-hexagonales orientées, présentant un double-maclage et une orientation d'environ 60° les unes par rapport aux autres, rappelle les observations faites sur les nacres de différents mollusques. Une étude par diffraction des rayons X sur des dépôts obtenus en présence de chitosan et de molécules organiques extraites de nacres naturelles montre leur influence sur la texture cristalline, les mailles de l'aragonite et les groupements carbonate. Le décalage de l'atome de carbone par rapport au plan des oxygènes de ce groupement révèle la déformation induite par les molécules durant la croissance cristalline. Cette étude montre que par une approche minérale-organique synthétique, on peut se rapprocher des processus conduisant à la croissance d'organo-cristaux naturels, pour la texture, la distortion de mailles, la structure et le faciès cristallin.

Etude et développement de dépôts d'allylamine assistés par plasma basse pression specifiques aux stents coronariens recouverts Les stents coronariens sont des dispositifs médicaux, généralement fabriqués en acier inoxydable 316L, utilisés pour traiter des maladies cardiovasculaires comme l'athérosclérose. Les stents recouverts ou à relargage contrôlé de médicaments sont des solutions prometteuses pour réduire les phénomènes de resténose. Ce travail a pour objectif le développement d'un procédé plasma basse pression capable de déposer une couche de polymère permettant de protéger la surface des stents contre l'agressivité du milieu physiologique. L'allylamine est choisie comme précurseur moléculaire pour assurer un taux élevé de fonctions amines primaires. Ces fonctions pourront être utilisées, successivement, pour l'immobilisation de molécules bioactives afin d'augmenter la biocompatibilité des stents. Les dépôts sont effectués sur des substrats d'acier inoxydable 316L en utilisant un réacteur plasma basse pression (70 kHz). Les différentes techniques d'analyse de surface utilisées (angle de contact, XPS, FTIR-ATR) montrent que les variations de puissance de la décharge et du temps de traitement ne modifient pas significativement la composition chimique de surface des dépôts. Cependant, grâce à une technique de dérivation chimique nous avons mis en évidence une meilleure sélectivité vis-à-vis des fonctions amines primaires pour les couches déposées à faibles valeurs de puissance. En effet, des analyses in-situ de la phase plasmagène (spectrométrie de masse, spectroscopie d'émission optique) révèlent qu'une augmentation de la puissance de la décharge conduit à l'augmentation de son caractère énergétique et, ainsi, à l'augmentation du taux de fragmentation du précurseur. La stabilité des revêtements au lavage dans l'eau de-ionisée a été aussi évaluée. Les dépôts obtenus pour une puissance de la décharge de 2W présentent le meilleur compromis entre rétention des fonctions amines primaires et stabilité. Enfin, nous avons évalué les propriétés d'adhérence des couches après déformation plastique en utilisant le " small punch test ", permettant de reproduire les conditions qu'on retrouve lorsque les stents sont déployés dans les artères. Les dépôts présentent des adéquates propriétés de cohésion et d'adhérence au substrat pour répondre à la déformation sans se fissurer et/ou délaminer. Ces résultats montrent que les couches d'allylamine déposées par procédé plasma basse pression présentent des caractéristiques prometteuses afin d'être utilisées comme revêtement performant pour les stents coronariens. Plasma Polymerized allylamine films deposited on 316L stainless steel

Cette thèse résume les connaissances acquises au cours de quatre années de recherches interdisciplinaires centrées sur des études de composés organiques et de biomatériaux, en vue d’applications bio- et nano-technologiques. Les systèmes sélectionnés ont ainsi révélé leurs secrets, grâce à l'utilisation des microscopies à effet tunnel à balayage (S.T.M.) et à force atomique (A.F.M.). Dans une première partie, nous développons les bases théoriques et expérimentales nécessaires à la bonne réalisation et interprétation d’images S.T.M. et A.F.M. Les différents modes d’utilisation y sont détaillés avec précision. La seconde partie présente les résultats obtenus sur différents systèmes. Celle-ci est divisée en quatre chapitres. Le premier est relatif aux monocouches auto-assemblées. Ces dépôts moléculaires fortement organisés peuvent être constitués de molécules physisorbées ou chimisorbées. Toutes deux ont été soumises à investigation. Dans le cadre de couches physisorbées, l’utilisation de la technique totalement révolutionnaire des pointes S.T.M. modifiées chimiquement a permis l’identification de la position et de l’orientation de groupements fonctionnels au sein des couches moléculaires. Nous nous sommes ensuite attardé sur l’influence du groupement lié au substrat pour des molécules chimisorbées. L’étude de matériaux organiques ne pouvait se faire sans parler d’A.D.N. Son importance fondamentale, ainsi que l’espoir énorme qu’engendre sa manipulation ont attisé notre curiosité. En particulier, nous nous sommes focalisé sur la caractérisation de transporteurs de gènes au cœur des cellules, dans notre cas, des condensats réalisés à partir d’A.D.N. et de polymère. Ensuite, nous nous sommes tourné vers les biomatériaux. Un chapitre entier traite en effet des implants métalliques. La croissance d’apatite en surface de ces implants, réalisés en oxyde de tantale, surmontés de différentes couches intermédiaires, a été analysée. L’influence des propriétés des couches intermédiaires sur la vitesse de croissance de l’apatite a plus spécifiquement retenu notre attention. Les derniers composés étudiés ont été sélectionnés pour leur utilisation potentielle au sein de systèmes biotechnologiques (capteurs solaires et/ou biologiques). Parmi ceux-ci figurent des couches de porphyrines (PPIX, ZnPPIX et TPD) sur des substrats métalliques, pouvant représenter les prémices de capteurs solaires. Des capteurs biologiques peuvent actuellement également être obtenus par le dépôt de protéines (la protéine fluorescente verte, en particulier) sur des substrats métalliques. La conservation de leurs propriétés après adsorption restant difficile à vérifier sans avoir d’informations complémentaires sur leur assemblage, nous nous y sommes intéressés. Pour terminer, nous montrerons, par spectroscopie de force, une mesure de l’interaction entre deux biomolécules, à savoir la biotine et l’avidine.

L'étude des verres bioactifs constitue un domaine de recherche pluridisciplinaire aux enjeux considérables : la mise au point d'une nouvelle génération de biomatériaux, capables de se lier avec les tissus receveurs, de former un lien interfacial fort et d'aider l'organisme à se soigner lui-même grâce à une action directe sur les cellules. Les applications concernent particulièrement le comblement de défauts osseux en chirurgies orthopédique et dentaire. Dans cette optique, nous avons élaboré plusieurs verres bioactifs dans des systèmes de composition binaire SiO2–CaO, ternaires SiO2–CaO–P2O5 , et pour la première fois à notre connaissance des verres contenant du strontium SiO2–CaO–SrO et SiO2–CaO–P2O5–SrO. L'utilisation du procédé sol-gel comme voie de synthèse des verres bioactifs s'est révélée avantageuse, car permettant l'élaboration de matériaux nanoporeux, de grande pureté et homogénéité. La bioactivité in vitro des verres est avérée : au contact d'un milieu biologique, tous les matériaux élaborés induisent la formation d'une couche Ca-P-Mg sur une profondeur de quelques microns à leur surface. Nos travaux se distin-guent par l'utilisation des microsondes nucléaires PIXE-RBS pour la caractérisation de l'interface verre bioactif/milieu biologique; leur emploi a permis de réaliser des cartographies chimiques rendant possible l'étude des gradients de concentrations en éléments majeurs et traces à l'interface. De plus, des informations quantitatives sur la réactivité locale des verres ont été acquises. Ces données sont importantes pour évaluer les cinétiques et l'amplitude des réac-tions physico-chimiques impliquées dans le processus de bioactivité. Nous avons ainsi mis en évidence que le verre binaire est le plus prompt à réagir en ce qui concerne la dissolution de la matrice vitreuse et l'apparition de la couche riche en Ca et en P. Toutefois la plus lente décroissance du rapport Ca/P à l'interface verre/milieu biologique indique que la couche Ca-P-Mg éprouve des difficultés à évoluer vers une phase apatitique. Pour les verres contenant du phosphore, la désalcalinisation de la matrice et la formation de la cou-che phosphocalcique sont retardées ; cependant le calcul du rapport Ca/P à l'interface et le suivi de l'état de saturation du milieu biologique montrent que la couche Ca-P-Mg se développe plus rapidement en une couche de type apatiti-que. Concernant les verres dopés en Sr, nous avons démontré que leur capacité de dissolution est amoindrie et que la couche Ca-P-Mg se forme sur une profondeur plus réduite. Néanmoins, la couche évolue plus promptement en apa-tite d'après la rapide décroissance du rapport Ca/P. Nous avons également obtenu des preuves de la présence de Sr à l'interface verre/liquide et de la diffusion de cet élément dans le milieu biologique sous forme de traces. Grâce aux effets bénéfiques du strontium sur l'activité cellulaire et sur le cycle de remodelage osseux, ceci pourrait résulter en une bioactivité grandement améliorée pour les verres dopés en Sr en milieu vivant.

Le diabète mellitus de type I est une maladie de plus en plus abondante. Cette dernière est caractérisée par la destruction auto-immunitaire des îlots de Langerhans incluant les cellules de type [bêta] qui produisent de l'insuline dans le pancréas endocrinien. Une option de traitement pour les patients atteints de cette maladie est notamment une greffe des îlots de Langerhans. Ce traitement est limité dû au nombre restreint de donneurs d'organes et aussi à la perte de fonctionnalité des îlots suite à la greffe. Les études effectuées tout au long de cette thèse ont pour optique d'adresser ces contraintes par le biais de la science des biomatériaux. La thèse débute avec un survol détaillé des concepts de base et des complexités associés aux interactions de type cellules et surfaces trouvées dans la littérature. II s'agit spécifiquement des interactions physiques et chimiques, des systèmes expérimentaux ainsi que des caractérisations et modifications associés aux interactions entre cellules et surfaces. La première étude de nature expérimentale examine la morphogenèse des cellules progénitrices ductales (PANC-1 cell line) vers des îlots qui produisent des agrégats semblables à des îlots (ILA). Le tout est fait sur des surfaces de carboxyméthyl dextrane (CMD) sur lesquelles le RGD est greffé via un lien covalent. L'expression des marqueurs d'lLAs (cytokeratin-19, Ki67, et E-cadherin) qui peuvent être associés à un changement de phénotype de ces cellules a été évaluée ainsi que la sécrétion et l'expression de l'insuline. La seconde étude de nature expérimentale a pour optique l'immobilisation de la fibronectine (FN) sur les mêmes surfaces de CMD mentionnées auparavant sur lesquelles des cellules ayant un phénotype [bêta] (INS-1 cell line) ont proliféré. Lors du processus d'immobilisation, plusieurs solutions ont été étudiées. L'immobilisation de la fibronectine sur des surfaces de CMD a été validée par la spectrométrie de photoélectrons induits par rayons X. Le mécanisme d'immobilisation a été déterminé par imagerie et mesures de force par microscopie à force atomique, la spectroscopie de dichroïsme circulaire ainsi que par la diffusion dynamique de la lumière. De plus, la croissance des cellules de type INS-1 et la sécrétion d'insuline ont été évaluées. La dernière étude de nature expérimentale visait l'étude de la coculture des cellules endothéliales et des îlots de porc dans un gel de fibrine. L'effet de la présence des cellules endothéliales sur la production d'insuline des îlots a été évalué. De plus, l'apoptose cellulaire en coculture a été évaluée et comparée aux cultures simples.