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

En chirurgie reconstructive osseuse les biomatériaux remplacent le tissu osseux manquant et dans le cas de pathologies ils peuvent également délivrer des molécules actives. L’élément semi-métallique, gallium (Ga), est utilisé dans le traitement de différentes pathologies liées à la résorption accélérée de l’os dû à son effet inhibiteur sur les ostéoclastes (cellules résorbantes de l’os). Le Ga peut être incorporé dans la structure des biomatériaux osseux et nous nous sommes intéressés aux propriétés biologiques de ces derniers. In vitro, en présence de Ga nous avons mis en évidence une diminution de la différentiation des ostéoclastes, ainsi qu’une sur-expression de plusieurs marqueurs des ostéoblastes (cellules formatrices d’os). In vivo, le modèle murin de comblement du défaut osseux a montré une augmentation de la quantité de tissu osseux néoformé avec un biomatériau chargé en Ga vs. contrôle. Ces données démontrent que les biomatériaux chargés en Ga sont compatibles avec la survie et la prolifération des cellules osseuses et que le Ga peut améliorer la reconstruction osseuse. D’autre part, étant donné que des effets anti-tumoraux du Ga sont largement décrits, nous avons étudié ces effets sur une lignée cellulaire cancéreuse, choisie pour son affinité pour le tissu osseux. Nous avons montré que le Ga réduit la prolifération et probablement le potentiel tumoral de cette lignée, mais aussi la différentiation ostéoclastique induite par les cellules cancéreuses. Ces effets inhibiteurs observés dans un contexte tumoral indiquent que le Ga est un candidat intéressant pour le couplage avec des biomatériaux destinés au comblement osseux après une résection tumorale. / In bone reconstructive surgery biomaterials commonly replace the missing tissue and in case of pathologies can also serve as vectors for drug delivery. The semi-metallic element gallium (Ga) is used for the treatment of several disorders associated with accelerated bone resorption, due to its inhibitory action on bone-resorbing cells (osteoclasts). Since Ga can be incorporated into the structure of bone biomaterials, we embarked on characterising the biological properties of novel Ga-loaded materials. In vitro, we observed a decrease in osteoclast differentiation and the upregulated expression of several osteoblastic markers (bone-forming cells) in the presence of Ga-loaded biomaterial. In vivo, using a rat bone defect model, we showed an increase in newly formed bone tissue in implants filled with Ga-loaded biomaterial vs. control. Taken together, our data indicate that Ga-loaded biomaterials provide biocompatible substrates allowing bone cells survival and improved bone reconstruction in vivo. Taking into account antitumoral effects of Ga, largely described in literature, we also investigated its impact on a bone metastatic model. Using an aggressive human cancer cell line selected for its ability to invade bone tissue, we showed that Ga could reduce cancer cell proliferation and viability and reverse excessive osteoclastogenesis in bone metastatic environment. Moreover, we demonstrated that Ga modulated the expression of several marker genes hindering the tumour-propagating potential of cancer cells. Thus, due to its inhibitory action on cancer cells, Ga could represent an attractive additive to biomaterials used for tissue reconstruction after tumour resection.

Le premier objectif de notre travail est de caractériser l'évolution temporelle de proprié-tés structurales et mécaniques de matériau osseux régénéré et immature sur un grand volume.Nous avons étudié ce tissu en évolution lors de sa genèse dans un environnement mécanique contrôlé. Pour caractériser l'évolution temporelle des propriétés mécaniques de ce tissu, à partir d'un modèle animal, nous mettons en place une étude couplant essais mécanique d'indentation,observations macroscopiques et étude histologique. Cette méthodologie combinée donne des informations complémentaires à différentes échelles : macroscopique par simple observation,mésoscopique avec les tests d'indentation et microscopique avec l'histologie. Le tissu osseux ré-généré évolue d'un matériau homogène, visqueux et souple vers un matériau hétérogènes, plus rigide et moins visqueux. D'un point de vue biologique, l'organisation cellulaire part d'un amas de nombreuses cellules et progresse vers une structure plus proche de celle de l'os. Mécanique et biologie révèlent une évolution similaire : d'abord le régénérat grossit, puis il se différencie en tissu ostéochondral et finalement, la calcification commence. Les résultats biologiques confirment les études de la littérature et les résultats mécaniques donnent les premières valeurs de caractéristiques mécaniques de ce tissu avec le module d'Young réduit.Le deuxième objectif de cette étude est de développer une bioprothèse avec un biomatériau biodegradebable afin de régénérer un défaut d'os de taille critique. Notre étude est originale carelle propose d'utiliser le biomatériau comme tuteur de la régénération. Une étude préliminaire a été menée avec un modèle animal et un biomatériau céramique phosphocalcique. De premiers résultats encourageant ont été obtenus mais le processus clinique reste à concrétiser. / The first objective of our work was to experimentally characterise the temporal evolutionof the structural and mechanical properties of large volume immature regenerated tissues. Westudied these evolving tissues from their genesis in controlled mechanical conditions. To characterizethe temporal evolution of mechanical properties, based on animal model, we carried outindentation tests coupled with macroscopic examinations and histological studies. This combinedmethodology yielded a range of information on osteogenesis at different scales : macroscopic bysimple observation, mesoscopic by indentation test and microscopic by histological study. Resultsallowed us to identify different periods, providing a link between biological changes and materialproperty evolution in bone tissue regeneration. The regenerated tissue evolves from a viscous,homogeneous, soft material to a heterogeneous stiffer material endowed with a lower viscosity.From a biological point of view, cell organization progresses from a proliferated cell clot to a maturestructure closer to that of the bone. During the first seven days, mechanical and biologicalresults revealed the same evolution : first, the regenerated tissue grew, then, differentiated into anosteochondral tissue and finally calcification began. While our biological results confirm those ofother studies, our mechanical results provide the first experimental mechanical characterizationby reduced Young's modulus of such tissue.In a second time,we develop a bioprothesis with a biodegradebable biomaterial to regenerate acritical size bone defect. Our study is original because it proposes to use the biomaterial to initiatethe regeneration. A study was performed with an animal model and phosphocalcic ceramic.First observation gave some encouraging results but the clinical process should be realized

L’accident vasculaire cérébral (AVC) représente une des plus importantes causes d’handicap acquis de l’adulte. A l’heure actuelle, après les premières heures de l’AVC, aucun traitement efficace en dehors de la rééducation n’est disponible, renforçant l’importance de la recherche des traitements alternatifs. La thérapie de reperfusion à la phase aigüe est conditionnée par une détection et une prise en charge très précoce. Pour cette raison, seulement environ 10% des patients peuvent en bénéficier. L’application des nouvelles techniques d’imagerie cérébrale peut être de grande utilité dans la compréhension des mécanismes de l’ischémie aiguë et l’identification des candidats potentiels à la reperfusion. Dans le cadre de notre première étude dans un modèle expérimental d’ischémie cérébrale chez le rat (par occlusion de l’artère cérébrale moyenne oACM), nous avons caractérisé les altérations micro-vasculaires, hémodynamiques et la saturation locale en oxygène (StO2) à la phase aigüe de l’AVC (dans la première heure) par IRM multiparamétrique. Les résultats de cette étude ont montré le potentiel de la cartographie par IRM de la StO2 dans la détection du cœur ischémique sans l’inclusion d’aucune zone potentiellement récupérable.Au-delà de la phase aigüe, le réel besoin de disposer de thérapies avec une fenêtre thérapeutique plus étendue s’impose. La thérapie cellulaire présente un potentiel dans le traitement de l’AVC. La thérapie cellulaire semble promouvoir une réduction du handicap après un AVC par des mécanismes de neuroprotection et de régénération du tissu cérébral. Malgré ces résultats encourageants, l’importante mort cellulaire quand les cellules exogènes sont administrées dans la cavité de l’infarctus doit être améliorée. Nous avons évalué un biomatériau hydrogel in vivo et son potentiel à protéger les cellules greffées à long terme. Dans notre étude pilote chez le rat sain, nous avons démontré que l’hydrogel à base d’acide hyaluronique (HA) HyStemTM-HP (Sigma-Aldrich, France) pouvait rester dans le tissu cérébral pendant 28 jours sans être dégradé, ce qui représente une protection potentielle pour des cellules greffées.La greffe intracérébrale de HA combinée à des cellules souches mésenchymateuses humaines (CSMh) issues de la moelle osseuse), 7 jours après l’oACM, a favorisé la survie cellulaire et a augmenté les marqueurs angiogéniques. Les cellules RECA1+ (marqueur des cellules endothéliales vasculaires) ont été augmentées. Les cellules Collagen-IV+ (membrane basale des vaisseaux) étaient également augmentées par le traitement. L’angiogenèse est un processus clé dans la récupération post-AVC. Malgré ces effets pro-angiogéniques bénéfiques, aucun des traitements (CSMh+HA ou CSMh seules) n’a permis une récupération fonctionnelle 3 semaines après l’injection (évaluation par deux test sensori-moteurs: échelle d’évaluation neurologique (mNSS) et test du retrait d’adhésif). / As the leading cause of disability in adulthood, stroke remains an important subject of study because no effective treatments except by rehabilitation are currently available after the first hours. The acute phase therapy reperfusion is conditinated to a rapid detection and management. For this reason, just around 10% of patients benefit of this. The application of new brain imaging techniques can be relevant for the comprehension of acute stroke mechanism and for a more accurate identification of candidates for acute phase reperfusion therapies. In our first study in a rat model of ischemic stroke (by occlusion of middle cerebral artery, MCAo) we characterized the microvascular, hemodynamic and local saturation in oxygen (StO2) alterations in the acute phase (around one hour after stroke onset), using multiparametric MRI. We demonstrated the potential of StO2 MRI map for detecting the ischemic core without the inclusion of any reversible ischemic damage.Therapeutic approaches that can be applied beyond acute phase are urgently needed. Most evidences suggest that cell therapies have the potential to reduce post-stroke disability through neuroprotection and brain remodelling mechanism. Despite of beneficial effects were demonstrated, some issues need to be addressed, such as the important loss of grafted cells reported when cells are administrated into infarct cavity. We evaluated an innovating biomaterial hydrogel in vivo and their potential to promote long term protection of grafted cells. In a pilot study, we demonstrated that hyaluronic acid-based hydrogel (HA) HyStemTM-HP (Sigma-Aldrich, France) presented a long lasting (over 28 days) in healthy brain suggesting to be a good candidate for cell therapy.When co-administrated by intracerebral route combined with human Mesenchymal Stem Cells (hMSC from bone marrow) seven days after MCAo, the HAhydrogel promoted an increase of hMSC survival and improved angiogenic process. In the immunohistological study, RECA1+ (vessel endothelial cells makers) were increased. Collagen-IV+ cells (vessel basal membrane) were also increased. Post stroke angiogenesis is a key process for brain recovery. No difference in lesion volume was detected among the ischemic groups by in vivo MRI. Despite the pro-angiogenic beneficial effect, neither hMSC+HA nor hMSC alone were able to improve functional results 3 weeks after intracerebral injection (assessed by modified neurological severity score (mNSS), and adhesive removal test).

Avec une mortalité après pancréatectomie de l'ordre de 5 % et une morbidité aux alentours de 50 %, la chirurgie pancréatique est l'une des plus délicates des interventions digestives. L'une des complications les plus graves est l'apparition de fistules pancréatiques (FP), c'est-à-dire un défaut d'imperméabilisation au niveau des sutures, impliquant une fuite enzymatique dans le milieu péritonéal qui peut engager le pronostic vital du patient. A ce jour, aucun dispositif médical n'est indiqué dans la prévention de ces FPs. Ainsi, ce projet a pour ambition de concevoir et de valider un biomatériau constitué d'une matrice absorbante qui assurera la double fonction d'éponge et de réservoir d'agent antibactérien, sur laquelle un greffage chimique devrait conférer des propriétés bioadhésives thermorégulées. La première partie de ce travail est consacrée à l'optimisation de la matrice absorbante, à base d'alginate et de chitosane, déjà développée lors d'une précédente thèse. Trois types de procédés de séchages ont été comparés : le séchage par évaporation, la lyophilisation et le séchage en milieu CO2 supercritique. Ces différents procédés conduisent à des matériaux de structures internes et de porosités différentes. L'impact de ces différences de structure a été évalué en termes de capacité de gonflement dans différents milieux, dont un milieu pancréatique simulé, mais aussi en termes de résistance enzymatique et de libération de principe actif. En tenant compte des résultats obtenus, le séchage par évaporation a été identifié comme le plus approprié pour la suite de l'étude. Dans une deuxième partie, du poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) a été synthétisé par polymérisation contrôlée (RAFT) afin d'être greffé sur la matrice absorbante. Le PNIPAM est un polymère thermosensible dont les propriétés bioadhésives sont directement dépendantes de la température. Ce polymère est généralement bioadhésif au-dessus de sa " lower critical solution température " (LCST), située aux alentours de 32 °C. Dans cette étude la masse molaire et la densité de greffage du PNIPAM sont les deux principaux paramètres étudiés pour son greffage sur les matrices. Enfin, les propriétés de surface des matrices greffées ont été caractérisées. Les matériaux ont montré, in vitro, des propriétés bioadhésives thermosensibles, avec une bioadhésion cellulaire observée principalement au-delà de la LCST. Les essais ex vivo ont cependant montré une bioadhésion sur organe plus importante en dessous de celle-ci. Cette étude a permis de mettre au point des biomatériaux absorbants aux propriétés de surface thermorégulées. Une compréhension plus fine des relations propriétés de surface/propriétés d'usage permettrait d'optimiser les propriétés de bioadhésion thermorégulée. / Pancreatic surgery, which leads to 5 % of mortality and around 50 % of morbidity, is one of the most critical digestive operations. The most serious complication is the appearance of pancreatic fistulas (PFs), i.e. enzymatic leaks from the surgical sutures to the peritoneal environment that can lead to the life threatening of the patient. To date, no medical device is indicated for the prevention of these FPs. The aim of this project is to design and validate a biomaterial constituted of a matrix that will ensure the dual function of absorbent and antibacterial agent reservoir, on which a chemical grafting should confer thermoregulated bioadhesive properties. The first part of this work is devoted to the optimisation of the absorbent matrix, based on alginate and chitosan, already developed during a previous thesis. Three types of drying processes were compared: drying by evaporation, lyophilisation and drying in supercritical CO2 medium. These different processes led to materials with different internal structures and porosities. The impact of these structures was evaluated in terms of swelling capacity in various media, including a simulated pancreatic environment, but also in terms of enzymatic resistance and release of an active molecule. Taking into account the obtained results, drying by evaporation was identified as the most appropriate process. In a second part, poly (N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) was synthesised by controlled polymerisation (RAFT) in order to be grafted onto the absorbent matrix surfaces. PNIPAM is a thermosensitive polymer with bioadhesive properties which depend on the temperature. This polymer is usually bioadhesive above its lower critical solution temperature (LCST), around 32 ° C. In this study, the molar mass and the grafting density of PNIPAM are the two main parameters studied for the surface modifications. Finally, the surface properties of the grafted matrices were characterised. In vitro, the materials showed thermosensitive bioadhesive properties, with a cellular bioadhesion mainly observed above the LCST. However, ex vivo tests exhibited higher bioadhesion on porcine organs at lower temperatures. This study led to the development of absorbent biomaterials with thermoregulated surface properties. Further understanding of the relationship between surface properties and in vivo bioadhesion would allow the optimisation of the thermoregulated surface properties.

Les gels de fibrine présentent un fort intérêt en médecine régénérative, puisqu’ils miment la matrice temporaire créée lors de la cicatrisation. Cependant, quand préparés à concentration physiologique, ils ne sont pas manipulables, ni conservables à sec. Pour contrer ces désavantages, ils peuvent être associés à un autre réseau de polymères, dans une architecture de Réseaux Interpénétrés de Polymères (RIP). Cette approche a été utilisée pour associer à un réseau de fibrine, un coréseau semi-synthétique d’albumine de sérum bovin (BSA) et de poly(oxyde d’éthylène) (POE), obtenu par photopolymérisation de BSA et PEG modifiés avec des fonctions méthacrylate (BSAm, PEGDM).Il a été démontré par des tests ex vivo et in vitro que ces matériaux ont de multiples applications potentielles, puisqu’ils supportent à leur surface, la croissance de nombreux types cellulaires. De plus, il a été observé que ces matériaux peuvent servir comme vecteurs pour la délivrance de molécules d’intérêt thérapeutique.La technologie a d’ailleurs été optimisée, en utilisant non plus des précurseurs modifiés avec des fonctions méthacrylate, mais acrylate. Cette modification a permis de réduire la toxicité du procédé de synthèse, tout en conservant les performances des matériaux. Il a également été démontré que divers matériaux optimisés ont des mécanismes de dégradation différents, et contrôlables par leur formulation initiale.Enfin, deux nouvelles familles de RIPs à base de fibrine ont été développées, en associant à un réseau de fibrine, un autre réseau de protéine, la fibroïne de soie. Des RIPs parfaitement manipulables ont été obtenus, supportant à leur surface la culture de fibroblastes. Ces matériaux sont donc prometteurs pour l’ingénierie tissulaire de la peau et d’autres applications. / Fibrin gels are of interest in regenerative medicine, as they mimic the provisory matrix synthesized during wound healing process. However, when prepared at physiologic concentration, these gels cannot be handled, nor stocked in dry state. To face these drawbacks, they can be associated with another polymer network, in an Interpenetrating Polymer Network (IPN). This strategy was used to associate to a fibrin network, a semi-synthetic conetwork composed of bovine serum albumin (BSA) and poly(ethylene oxide) (PEO), obtained by photopolymerization of methacrylate-modified BSA and PEG.It was demonstrated through ex vivo and in in vitro experiments that these materials have numerous potential applications, as they support on their surface, the culture of numerous cell types. Moreover, it was observed that they may be used as drug carrier for drug release applications.Moreover, the technology was optimized by modifying the methacrylate functions on the precursors for acrylate functions. This modification allowed to reduce the toxicity of the process, while preserving materials performances. It was also demonstrated that these optimized materials have different degradation mechanisms, which are controllable by their initial formulation.Finally, 2 new groups of fibrin-based IPNs were developed, by associating to a fibrin network, another protein network, the silk fibroin. Perfectly handable IPNs were obtained, which support on their surface the culture of fibroblasts. These materials are then very promising for skin tissue engineering, and most likely other applications.

Les maladies cardiovasculaires sont l’une des principale causes de mortalité dans le monde, engendrant le décès de plus de 17 millions de personnes par an. Ce chiffre éloquent augmentera jusqu’à atteindre selon l’OMS 23,4 millions de décès en 2030. Ces maladies sont associées à un rétrécissement de la lumière des vaisseaux sanguins qui peut entrainer une occlusion partielle ou complète du vaisseau. Le traitement le plus souvent utilisé est un traitement chirurgical visant à créer un pont qui va contourner la section obstruée, ou une section lésée.Actuellement, les conduits les plus utilisés pour les greffes sont les vaisseaux autologues, à savoir la veine saphène ou l’artère thoracique interne. Seulement, ces substituts ne peuvent être utilisés en remplacement que s’ils sont sains. L’alternative aux vaisseaux autologue est l’utilisation de substituts synthétiques. Due à un certain manque de biocompatibilité de ces greffons synthétiques, après quelques années seulement, un phénomène de thrombose s’installe, en cause ; l’absence de cellules endothéliales (CEs) qui recouvrent l’intérieur du substitut.Le point clé réside ici dans la fabrication d’un matériau capable de fournir au CEs un environnement favorable à leur adhésion et leur prolifération pour permettre la génération d’un endothélium à l’intérieur d’un substitut synthétique. In vivo, les cellules capables de coloniser de tels matériaux sont les cellules progénitrices endothéliales, ces cellules sont capables de se différencier en cellules endothéliales matures et possèdent une capacité de prolifération supérieure aux cellules matures. Elles sont capables de réparer les vaisseaux et pourront donc être ciblées afin d’être recrutées in situ et ainsi endothélialiser le biomatériau.C’est dans ce contexte que nous avons choisi de modifier de façon chimique la surface d’un matériau model, un film de PET avec quatre principes actifs innovants sélectionnés pour leur capacité à induire l’adhésion des cellules ou leur différentiation pour permettre la régénération d’un endothélium à la surface du matériau.Ce projet a permis dans un premier temps de mettre au point un protocole pour greffer des principes actifs de façon covalente avec une densité reproductible et de façon microstructurée en utilisant la photolithographie. Ici, les peptides GRGDS et GHM ont été greffés pour améliorer l’adhésion des cellules, le dernier étant spécifique aux cellules endothéliales progénitrices. Le peptide SFLLRN et la sitagliptine ont été greffés pour induire ou accélérer la différenciation des EPCs en CEs matures. Toutes les surfaces ont été caractérisées pour valider le greffage covalent et connaitre la densité de molécules bioactives greffée.D’autre part avec une caractérisation approfondie des EPCs issues du sang de cordon ombilical, certains gènes caractéristiques des cellules souches et endothéliales ont été suivis par immunofluorescence et RT-qPCR pour déterminer leur état de différenciation. Ce travail n’aura été possible qu’après avoir déterminé quels gènes de références nous pouvions utiliser pour étudier le phénotype de trois types cellulaires à savoir, les cellules mononuclées CD34+, les EPCs et des CEs matures (extraites de la veine saphène). [...] En conclusion générale, ce projet prouve que la modification de surfaces des substituts avec des molécules bioactives est indispensable pour rendre le matériau attractif et pour régénérer un endothélium à la surface de celui-ci. Ce travail nous a aidé souligner l’importance de comprendre le comportement des EPCs et leur cinétique de différenciation pour leur utilisation en ingénierie vasculaire. / Cardiovascular disease is one of the leading causes of death in the world, killing more than 17 million people a year. This eloquent figure will increase to 23.4 million deaths in 2030, according to the WHO. These diseases are associated with a narrowing of the lumen of the blood vessels that may cause partial or complete occlusion of the vessel. The treatment most often used is a surgical treatment designed to create a bridge that will bypass the obstructed section or an injured section.Currently, the most used conduits for transplants are autologous vessels, namely the saphenous vein or the internal thoracic artery. Only these substitutes can only be used as a replacement if they are healthy. The alternative to autologous vessels is the use of synthetic substitutes. Due to a certain lack of biocompatibility of these synthetic grafts, after only a few years, a phenomenon of thrombosis sets in; the absence of endothelial cells (ECs) that cover the interior of the substitute.The key point here lies in the manufacture of a material capable of providing the ECs with a favorable environment for their adhesion and proliferation to allow the generation of an endothelium within a synthetic substitute. In vivo, cells capable of colonizing such materials are endothelial progenitor cells, these cells are capable of differentiating into mature endothelial cells and possess a higher proliferation capacity than mature cells. They are able to repair the vessels and can, therefore, be targeted to be recruited in situ and thus endothelialize the biomaterial.It is in this context that we have chosen to chemically modify the surface of a model material, a PET film with four innovative active ingredients selected for their ability to induce cell adhesion or differentiation to allow regeneration. an endothelium on the surface of the material.This project has initially made it possible to develop a protocol for grafting active ingredients covalently with a reproducible density and in a microstructured manner using photolithography. Here, the GRGDS and GHM peptides were grafted to enhance cell adhesion, the latter being specific to endothelial progenitor cells. The SFLLRN peptide and sitagliptin have been grafted to induce or accelerate the differentiation of EPCs into mature ECs. All surfaces have been characterized to validate covalent grafting and to know the density of grafted bioactive molecules.On the other hand, with a thorough characterization of EPCs from umbilical cord blood, some characteristic genes of stem and endothelial cells were followed by immunofluorescence and RT-qPCR to determine their state of differentiation. This work will have been possible only after determining which reference genes we could use to study the phenotype of three cell types namely, CD34 + mononuclear cells, EPCs and mature ECs (saphenous vein extract). [...] As a general conclusion, this project proves that surface modification of substitutes with bioactive molecules is essential to make the material attractive and to regenerate an endothelium on the surface of it. This work has helped us emphasize the importance of understanding the behavior of EPCs and their kinetics of differentiation for their use in vascular engineering.

La surface naturelle des prothèses, tels que des implants métalliques, n'est pas idéale pour l'obtention d'une bonne ostéo-intégration. Par conséquent, l'amélioration des propriétés de surface pour les rendre ostéo-condutrices ou ostéo-inductrices est souhaitable. La délivrance contrôlée de protéines ostéo-inductrices de la famille des bone morphogenetic proteins (BMPs) par la surface des matériaux implantables permettrait une formation osseuse optimisée et plus rapide autour de l'implant. En particulier, la BMP-2 est importante dans la phase initiale de la différenciation vers l'os. En raison de leur similarité avec les tissus naturels, l'utilisation des revêtements de biopolymères qui ont une bonne affinité avec les molécules bioactives, semble prometteuse pour le chargement et la délivrance de BMP-2. L'équipe a déjà mis au point un film à base des biopolymères hyaluronane et de poly(L-lysine), en utilisant la technique d'assemblage couche par couche. Ce film constitue un réservoir qui permet de présenter la BMP-2 "liée à la matrice". La bioactivité in vitro et les propriétés ostéo-inductrices in vivo de ces films ont déjà prouvées. Dans ce travail, nous avons cherché à mieux comprendre l'interaction de la BMP-2 avec le film et l'interaction des cellules avec la BMP-2. Tout d'abord, nous avons étudié la structure de la BMP-2 piégée dans les films et l'avons comparé à celle en solution; puis nous avons évalué l'impact du séchage, du stockage à long terme et de la stérilisation sur la structure du film et sa bioactivité. Enfin, nous avons étudié l'internalisation de la BMP-2 par les cellules en fonction de la réticulation du film et avons étudié la relation entre internalisation et voies de signalisation. / The natural surface of bulk prostheses materials, such as metallic implants, is not suitable for successful osteointegration of implants. Therefore, improving the surface to render it osteoconductive and osteoinductive is needed. The controlled delivery of osteoinductive bone morphogenetic proteins (BMPs) from the surface of implantable materials would enable faster and better bone formation around the implant. In particular, BMP-2 plays an important role in the early phase of differentiation of stems cells in bone cells. The coating of natural polymers that have a high affinity for BMP-2 would enable BMP retention and localized delivery at the implant surface. Using the layer-by-layer technique, we have developed a coating made of the biopolymers hyaluronan and poly(L-Lysine), which acts as a reservoir to trap BMP-2 and to present them to cells in a "matrix-bound" manner. The in vitro bioactivity and in vivo osteoinductive properties of BMP-2-loaded films have previously been proved. In this work, the aim is to further understand the interaction of the BMP-2 with the film and the uptake of BMP-2 by the cells. First, the secondary structure of matrix-bound BMP-2 was studied and compared to its structure in solution. Second, the impact of drying, long term storage and sterilization on film structure and bioactivity were assessed. Finally, we investigated if and how matrix-bound BMP-2 is internalized by the cells from the different cross-linked films, the internalization route and its relation to BMP-2 signaling.

L'objectif de ce travail est de développer une méthode d'ingénierie de scaffolds multidimensionnels pour la culture cellulaire et l’ingénierie tissulaire. Nous avons d'abord appliqué une technique d'impression 3D pour produire un scaffold en PEGDA et ensuite rempli l'espace libre du scaffold avec du gel de gélatine. Après la congélation et le séchage, un scaffold hybride en PEGDA avec des structures fine de gélatine a été obtenu, qui a été ensuite valisé par la culture et la différenciation des cellules progénitrices neuronales. Pour intégrer plus facilement dans un dispositif microfluidique, nous avons également conçu un scaffold 2D sous forme d’une couche mince de nid d'abeilles de PEGDA rempli des structures poreuses auto-assemblée de PCL. Ce scaffold 2D a été utilisé pour la culture cellulaire et la transfection des gènes, montrant des avantages par rapport aux méthodes classiques en termes d'absorption des nutriments et des facteurs solubles. Enfin, nous avons fabriqué un scaffold mous constitué d’une couche mince de nid d'abeilles en élastomère de PDMS et d’une monocouche de nanofibres de gélatine pour faciliter la différenciation cardiaque à partir des cellules souches pluripotentes humaine. Comme prévu, nous avons réalisé une génération cardiaque avec une contraction plus forte et une homogénéité de battement plus élevée par rapport aux approches classiques. Tous ensemble, nous avons démontré l'utilité des scaffolds hybrides pour l'ingénierie micro-tissulaire qui pourraient avoir un impact sur les études futures dans les domaines de l'ingénierie tissulaire, du criblage des médicaments et de la médecine régénératrice. / The objective of this work is to develop a method of engineering multi-dimensional scaffolds for cell culture and tissue formation. We firstly applied a 3D printing technique to produce the designed frame in PEGDA and then filled the free-space of the frame with a gelatin gel. After freezing and drying, a hybrid 3D scaffold made of gelatin porous structures and PEDGA backbone was obtained, which supported culture and differentiation of neural progenitor cells. To more easily integrate into a microfluidic device, we also designed a 2D scaffold in form of a thin layer of honeycomb frame of PEGDA and self-assembled porous structure of PCL. Such a patch form scaffold could be used for cell culture and gene transfection, showing advantages over the conventional methods in terms of nutrients and soluble factors uptake. Finally, we fabricated a soft patch made of an elastic frame in PDMS and a monolayer of gelatin nanofibers to facilitate cardiac differentiation from human induced pluripotent stem cells. As expected, we achieved a cardiac generation with higher contraction strength and a higher beating homogeneity comparing to the conventional approaches. All together, we demonstrated the utility of hybrid scaffolds for micro-tissue engineering which could impact the future studies in the fields of tissue engineering, drug screening and regenerative medicine.

L'intérêt pour le développement de ciments osseux à base de phosphates de calcium (CaP) en tant que systèmes de délivrance de médicament a augmenté en raison de sa capacité à être injecté et à permettre un traitement local et contrôlé des maladies ou défauts osseux. A cette fin, nous nous sommes intéressés à la formulation d’un ciment mixte à base de carbonate et phosphate de calcium (CaCO3-CaP) chargé avec différentes teneurs (3, 6 et 9% calculé par rapport à la masse de la phase solide du ciment) en acide fusidique (AF), composé pratiquement insoluble dans l’eau, ou en son sel hydrosoluble, le fusidate de sodium (SF). L’influence de l’incorporation de l’antibiotique sous ces deux formes sur les propriétés physicochimiques (temps et cinétique de prise, résistance à la compression, injectabilité) et la microstructure (porosité) du ciment ainsi que sur la libération in vitro de ce médicament a été étudiée. L’effet de la quantité d’eau (rapport liquide/solide (L/S)) utilisée pour l’élaboration du ciment sur ces propriétés a été également examiné. Les résultats obtenus ont révélé que l'ajout de l’antibiotique n’avait aucun effet sur la composition minérale du ciment durcit : la réaction de prise donne lieu à la formation d’une apatite carbonatée analogue au minéral osseux. Nous avons observé que le temps de prise du ciment a été prolongé par l’addition d’AF, tandis que la présence de SF le réduit et cet effet est dose dépendant. L’utilisation d’un accélérateur de prise (Na2HPO4) réduit le temps de prise d’une manière significative, et a permis d’atteindre un temps de prise de l’ordre de 25 à 30 minutes ; celui-ci se situe dans une gamme compatible avec une application en chirurgie orthopédique ou dentaire. Ce travail a également permis de mettre en évidence que l’incorporation de l’antibiotique dans le ciment s’accompagne d’ une diminution de la porosité et de la résistance à la compression. En outre, l’augmentation du rapport liquide-solide (L/S) se traduit par une augmentation du temps de prise, de la porosité des ciments et par une diminution de la résistance à la compression. Les mesures d’injectabilité des ciments étudiés ont montré que la charge nécessaire pour l’extrusion de la pâte est diminuée par l'ajout d’AF (injectabilité améliorée) et que cet effet est amplifié en présence de SF. Le phénomène de séparation de phases qui limitait l’injectabilité de la pâte du ciment de référence a été supprimé par l’ajout de 9 % de SF et par l’augmentation de la quantité d’eau utilisée (L/S plus élevé) pour l’élaboration du ciment. Les essais de libération in vitro du principe actif dans une solution de NaCl 0.9 % à 37°C pendant un mois montrent que la libération est prolongée et ce quels que soient la forme de l’antibiotique et le rapport L/S. Le taux libéré est lié à la porosité totale et à la taille des pores du ciment ainsi qu’à la solubilité de l'antibiotique. Les quantités libérées par jour sont de l’ordre de 0.5 à 2 mg/L. La libération du médicament a été modélisée en utilisant les équations de Korsmeyer-Peppas, de Higuchi ou de Kopcha. Les résultats ont montré que la libération du médicament est contrôlée principalement par un mécanisme de diffusion. Enfin, l’efficacité in vitro du système de délivrance préparé a été évaluée à travers des essais microbiologiques réalisés avec les ciments chargés en antibiotique ; les résultats préliminaires obtenus ont montré une activité anti-biofilm faible sur la souche bactérienne de type Staphylococcus aureus. / The interest in developing calcium phosphate cements as a drug delivery system has risen because of its capability to be injectable and to enable local and controlled treatment of bone disease or defects. In the present work, we are interested in the development of a mixed cement based on calcium phosphate and carbonate (CaCO3-CaP) loaded with different concentrations (3, 6 and 9% calculated on the weight of the cement solid phase) of fusidic acid (FA) compound substantially insoluble in water, or its water soluble salt, sodium fusidate (SF). The influence of the incorporation of both forms of antibiotic on the physicochemical properties (setting time and setting reaction kinetics, compressive strength, injectability) and the microstructure (porosity) of the cement as well as on the in vitro release of this drug was studied. The effect of the amount of water (liquid / solid ratio (L / S)) used for the preparation of cement on these properties was also examined. The results obtained showed that the addition of the antibiotic had no effect on the final composition of the hardened cement: the setting reaction leads to the formation of a carbonated apatite analogous to bone mineral. The setting time of the cement was prolonged by the addition of AF, while it is reduced in the presence of SF and we showed that this effect is dose-dependent. The introduction of an accelerator (Na2HPO4) in the cement formulation reduces the setting time significantly in a range (25 to 30 minutes) which is adapted to orthopedic and dental applications. This work has also demonstrated that the incorporation of the antibiotic in the cement is accompanied by a decrease in the cement porosity and resistance to compression. In addition, increasing the liquid to solid ratio induced an increase in the setting time and in the porosity of the cement whereas the cement compressive strength is decreased. Measurements conducted on cement injectability have shown that the load required to extrude the paste is reduced by the addition of AF (improved injectability) and this effect is enhanced in the presence of SF. The phase separation phenomenon that limits the injectability of the reference cement paste was suppressed by the addition of 9% of SF and by increasing the amount of water (higher L / S) used for the preparation of cement. In vitro release test of the antibiotic in NaCl 0.9% solution at 37 °C over one month showed that the release is sustained regardless of the form of the antibiotic and of the L / S ratio. The released rate is related to the total porosity and pore size of the cement as well as the solubility of the antibiotic. The amounts released per day are in the range of 0.5 to 2 mg /L. Drug release was modeled using the Korsmeyer-Peppas, Higuchi or Kopcha equations. These modelisations showed that the drug release is mainly controlled by a diffusion mechanism. Finally, the in vitro efficiency of the prepared drug delivery systems was evaluated through microbiological tests on antibiotic-loaded cements; the preliminary results obtained showed a weak anti-biofilm activity against Staphylococcus aureus bacterial strain.