Les implants utilises comme biomateriaux sont fonctionnels, biocompatibles et certains bio-actifs. Il existe quatre familles de biomateriaux : les metaux et alliages, les ceramiques, les polymeres et les materiaux naturels. Des phenomenes d'usures (corrosion, frottement) generent des debris dans l'organisme. Ces debris engendrent differents problemes: toxicite, reactions inflammatoires, descellements prothetiques par lyse osseuse. Nature, taille, morphologie, quantite des debris sont des parametres qui influencent les reactions biologiques susceptibles de se produire. Nous avons caracterise la contamination metallique (migration, comportement in vivo, quantite, taille et nature des debris) provenant des protheses de genou au niveau du tissu capsulaire voisin. Les methodes PIXE-RBS et STEM-EDXS, principalement employees, sont des outils complementaires. Les debris sont repartis de facon heterogene dans l'articulation du genou. Ils migrent sur plusieurs milliers de micro m en profondeur. Pour les echantillons fortement pollues, les debris sont des grains d'alliages de dimension de l'ordre du micro m (PIXE). Les rapports massiques in vivo confirment la stabilite chimique des grains de TA6V et l'evolution des grains de CrCoMo. Une etude a l'echelle nanometrique (STEM-EDXS) montre une dissolution de grains de TA6V (micro m) en de plus petits (nm). Localement la presence de grains de phase αlpha indiquerait une dissolution preferentielle de la phase beta (joint de grain) avec largage de Al et de V elements carcinogenes et toxiques. Le developpement d'un protocole PIXE-histologie en cible mince, correle une analyse PIXE et histologique sur une meme zone. Ce protocole informe sur les pathologies liees aux contaminations metalliques, meme si leur teneur est de l'ordre du micro g/g, grace a la sensibilite de la methode PIXE. De plus l'innocuite vis a vis de la radioactivite de plusieurs biomateriaux naturels ou synthetiques est etablie, a l'aide de systeme de detection gamma ultra bas bruit de fond.

Les biomatériaux à usage orthopédique posent le problème de leur devenir dans l'organisme. Lorsqu'ils sont métalliques, ils posent le problème du relargage de métaux dans les tissus voisins. L'alliage de titane Ti6A14V est utilisé pour ses bonnes propriété mécaniques et pour sa résistance à la corrosion. L'usage d'un revêtement permet d'améliorer encore ses performances. J'ai étudié deux revêtements en verre référencés BVA et BVH. La caractérisation in vivo et in vitro a été menée grâce à plusieurs techniques complémentaires d'analyse : microscopies électroniques et méthodes nucléaires (PIRE, ...).<br> Le verre BVA s'est révélé être bioactif. Il se transforme en un gel de silicium avec incorporation de protéines et d'oligo-éléments (Zn et Sr), et ce, dés 3 mois après implantation. Ce gel disparaît peu à peu et est remplacé par un os néoformé. Cet os a été analysé comme mature après un an d'implantation; il assure une meilleure ostéointégration de l'implant. Quant au verre BVH, il est bioinerte. Sa composition est constante au cours du tempe. Cependant, la formation d'une interface de 2 µm d'épaisseur, induite par le processus de dépôt du revêtement, fragilise les liaisons intergranulaires. Cela se traduit par la fragmentation du revêtement et la migration de grains de verre à travers le réseau lacunaire de l'as environnant. Les deux verres sont une barrière efficace contre la corrasion de l'alliage, tant qu'ils restent en place.<br> J'ai proposé les bases d'une nouvelle méthodologie d'analyse : la combinaison de la cartographie PIXE et de l'histopathologie. Le principal intérêt est de corréler une éventuelle réponse tissulaire à la présence de certains éléments atomiques.<br> J'ai introduit pour la première fais la théorie de la percolation pour essayer de modéliser la résorption de biomatériaux poreux tel que le corail et les hydroxyapatites. Les premières simulations sont très prometteuses et rendent bien compte de plusieurs résultats expérimentaux observés.

La fonctionnalisation des biomatériaux est une stratégie probante et prometteuse développée pour favoriser l'intégration de biomatériaux dans un organisme vivant. Le dépôt de films multicouches de polyélectrolytes est une méthode de fonctionnalisation de surfaces particulièrement adaptée au recouvrement d'implants. Ces surfaces modifiées pourront ainsi interagir avec leur environnement biologique. Au cours de ce travail de thèse, nous avons développé un nouveau revêtement, à base de composés naturels, capable de recouvrir plusieurs types de surfaces. De plus, ces revêtements originaux peuvent être utilisés pour orienter certains phénomènes cellulaires. Dans la première partie de ce travail de thèse, nous avons mis au point un nouveau système de films multicouches à base de collagène et d'alginate. La réticulation chimique avec la génipine, un agent naturel d'origine végétale (Gardenia Jasminoide), stabilise ces constructions pour une utilisation en conditions physiologiques. Les études d'adhérence et de prolifération de cellules endothéliales humaines ont montré que ces revêtements à base de constituants naturels sont des supports adéquats en vue d'applications biomédicales. Nous avons ensuite déposé des films collagène/alginate sur des implants en titane précédemment recouvert d'un gel microporeux en poly(acide lactique). Nous avons pu montrer que les films collagène/alginate favorisent la prolifération de cellules épithéliales, ce qui permettrait une meilleure intégration des implants. Dans la deuxième partie de notre travail, nous avons développé une technique permettant d'obtenir des revêtements et des membranes à base de films multicouches collagène/alginate ayant des structures fibrillaires orientées. L'alignement fibrillaire s'obtient par simple étirement des substrats élastiques en poly(diméthyl siloxane) (PDMS) sur lesquels sont déposés les revêtements collagène/alginate. La déformation longitudinale du substrat induit un alignement préférentiel des fibrilles de collagène du revêtement. L'étude de l'influence du taux d'étirement sur l'alignement des fibres a montré qu'il était possible de moduler cet alignement. Enfin, nous avons observé que le comportement de différents types cellulaires (fibroblastes et astrocytes) est modifié par l'alignement fibrillaire. On note que les cellules s'alignent dans la même direction que les fibrilles de collagène. A l'évidence, l'organisation fibrillaire du revêtement conditionne la géométrie de l'étalement cellulaire. Les cellules s'allongent lorsque les fibrilles sont alignées. De plus, il apparaît que la direction des divisions cellulaires est guidée par la direction de l'alignement des fibrilles de collagène dans le revêtement étiré. Cela signifie que les cellules sont guidées par les fibrilles de collagène alignées.

La culture cellulaire traditionnelle en deux dimensions (2D) ne peut pas reproduire les propriétés des tissus observées dans des organes en trois dimensions (3D). Ces tissus, en particulier les tissus de soutien comme l'os, sont soumis à des contraintes mécaniques, facteurs majeurs de régulation des interactions cellulaires et cellules/matrices. Il y a donc un intérêt croissant pour les modèles 3D, afin de mieux comprendre les différents aspects du fonctionnement cellulaire et du remodelage osseux, dans des systèmes de moindre complexité que les modèles in vivo. Nous nous sommes intéressés ici aux cellules ostéoblastiques et à une de leur protéine matricielle, la sialoprotéine osseuse (BSP). La BSP appartient à la famille des "small integrin-binding ligand N-linked glycoproteins" (SIBLING), impliquées dans le développement, le remodelage et la minéralisation de l'os, et répondant rapidement à la contrainte mécanique. Notre objectif était d'analyser l'impact de cette protéine sur la différenciation ostéoblastique et l'ostéogénèse in vitro à partir de cellules de calvaria de souris présentant une extinction génique de la BSP (BSP-/-) cultivées en 2D et en 3D. Nous avons montré que les cellules BSP-/- présentaient un défaut de formation osseuse et de minéralisation qui est dépendant de la densité cellulaire. Puis nous avons développé et validé un bioréacteur perfusé et stimulable mécaniquement via le système ZetOsTM. Les premiers résultats obtenus avec cet outil contrôlé montrent que l'environnement 3D améliore la différenciation des cellules BSP-/-. Ces travaux restent à développer, notamment pour analyser l'effet des contraintes mécaniques sur ces cellules

Combler une perte osseuse est une nécessité fréquente en chirurgie. L’usage d’implants biocéramiques est limité, conduisant au delà de quelques cm3, inaccessibles à l’ostéogénèse, à une hétérogénéité intrinsèquement fragile et une vascularisation interrompue. Les biomatériaux hybrides sont une solution. Ensemencée, la céramique est mise en culture en bioréacteur, un fluide y circulant afin d'alimenter les cellules et d’évacuer leurs déchets.L’étude porte sur une céramique en phosphate de calcium dont l’architecture interne consiste en pores sphériques interconnectés de quelques centaines de microns de diamètre. Le choix du débit et de l'écoulement à travers ce matériau reste jusqu’ici empirique. Pour optimiser la culture, il s'avère cependant nécessaire de savoir les déterminer en tout point afin de pouvoir les optimiser et les reproduire et, à terme, d'optimiser le choix de la biocéramique.L'étude numérique s'impose car les grandeurs physiques finales recherchées (vitesses et pressions locales) ne sont pas mesurables sur la structure microscopique. Or, ces grandeurs optimisées permettent de définir les grandeurs d'entrée optimales. Le protocole débute par une modélisation de la microstructure et le calcul de la taille du VER afin d'identifier la perméabilité intrinsèque du milieu. Une analyse statistique de la répartition des contraintes tangentielles en fonction des grandeurs moyennes homogénéisées permet ensuite d'identifier les paramètres d'entrée optimaux dans le VER. Finalement, une optimisation globale de la résolution des équations de Navier-Stokes sur la structure homogénéisée permet de définir le paramètre final, à savoir le débit de contrôle du bioréacteur. / Repairing a bone loss is a frequent need in orthopaedic surgery. Though now much developed the use of bioceramic implants is limited: a bulk greater than a few cm3 does not allow a complete osteogenesis. So an intrinsic brittle heterogeneity remains with an interrupted vascularization. Hybrid biomaterials are a solution. Seeded ceramics are cultured in a bioreactor, a fluid flowing through the material to feed the cells and to clear their waste out.This study focuses on a calcium phosphate ceramic whose internal architecture consists of spherical interconnected pores of a few hundred microns in diameter. The choice of the flow rate or other flow parameters through the material remains far empiric. To optimize the cell culture, it is however necessary to know how to determine them at any point in order to optimize and reproduce them and eventually to optimize the choice of the bioceramic.A numerical study is necessary because the final desired physical parameters (local velocities and pressures) are not measurable on a microscopic structure. However, these quantities are used to define the optimal input values. The protocol begins in modelling the microstructure and determining the size of the representative elementary volume (REV) in order to identify intrinsic permeability of the material. A statistical analysis of the distribution of shear stresses based on homogenized average values then leads to identify optimal input parameters in the REV. Finally, a global optimization of solving of the Navier-Stokes equations on the homogenized structure leads to define the final parameter, namely the flow of control of the bioreactor.

L'objectif de cette étude est la diminution du pouvoir de combinaison du dioxyde de soufre des vins blancs liquoreux. La méthode retenue passe par l'élimination du vin de dérivés carbonylés naturellement présents et responsables de la formation de combinaisons bisulfitiques.Les dérivés carbonylés responsables de la plus grande partie du piégeage du dioxyde de soufre sont l'éthanal, l'acide pyruvique et l'acide 2-oxoglutarique. L'extraction de ces composés doit s'effectuer sans dénaturer les qualités organoleptiques du vin et sans générer l'apparition de nouvelles molécules dans le vin. Pour cela, la méthode retenue a été l'extraction liquide-solide : il s’agit de mettre en présence deux réactifs dont l’un l’agent d’extraction est fixé sur un support insoluble. Notre objectif est d’étudier la possibilité de substituer les polymères d’origine industrielle utilisés jusqu’à présent par des supports d’origine naturelle préparés à partir d’un constituant du bois : la lignine. Le recours à des supports d’origine naturelle, dérivé du bois, présente le double intérêt de permettre un meilleur contrôle des matériaux introduits dans le vin à traiter et de rendre les contaminations éventuelles provenant du traitement à priori, plus admissibles, étant constituées de composés déjà présents dans le bois de tonnellerie. / The objective of this study is the reduction of the power of sweet white wines sulfur dioxide combination. The method used relies on the extraction of carbonyl compounds from wine; these are naturally present and responsible for the formation of bisulfite combinations.The carbonyl compounds responsible for most of the trapping of sulfur dioxide are acetaldehyde, pyruvic acid and the 2-oxoglutaric. The extraction of these compounds should be done without altering the organoleptic qualities of wine and without creating the appearance of new molecules in wine. Therefore, the method we used was the liquid-solid extraction: bringing together two reactants, one of which -the extracting agent- is attached to an insoluble support.Our goal is to study the possibility of substituting the industrial polymers, used so far, by natural origin supports, prepared from a wood constituent: the lignin.The use of natural origin materials, deriving from wood, has the double advantage of allowing a better control of materials, introduced in the wine process, and making more acceptable the possible contaminations broad about by the a priori treatment, as they are compounds already present in the wood cooperage.

Lorsque les verres bioactifs entrent en contact avec des tissus vivants, une série de réactions physico-chimiques (dissolution, précipitation...) ont lieu à l’interface matériau / os, et conduisent à la formation d’une couche phosphocalcique, dont la composition est proche de la phase minérale de l’os (hydroxyapatite). La couche d’apatite sert de site de minéralisation pour les cellules osseuses, ce qui permet in fine un lien intime entre le verre bioactif et les tissus osseux. Ce lien est caractéristique de la bioactivité, qui peut être modulée via plusieurs paramètres du verre comme la composition en éléments majeurs et traces ou les propriétés texturales (surface spécifique, porosité).Dans ce contexte, nous avons élaboré des verres bioactifs dans des systèmes binaires (SiO2-CaO) et ternaires (SiO2-CaO-P2O5). Ces verres ont été dopés en ions zinc et magnésium via la voie sol-gel. Grâce à l'emploi de tensioactifs, nous avons obtenu des verres mésostructurés. Enfin, en utilisant des méthodes dites « d’opale inverse », des verres à macroporosité organisée ont été synthétisés. L'influence de ces paramètres sur la réactivité des verres au contact d’un milieu biologique (DMEM) a principalement été étudiée par des techniques utilisant des microfaisceaux d'ions. L'émission X induite par particules chargées (PIXE) combinée à la spectrométrie de rétrodiffusion Rutherford (RBS) a en effet démontré des effets évidents sur la cinétique, l'amplitude et la distribution spatiale des réactions physico-chimiques. / When bioactive glasses are in contact with living tissues, several physico-chemical reactions (dissolution, precipitation…) take place at the material / bone interface, and lead to the formation of a phosphocalcic layer, whose composition is close to the mineral phase of the bone (hydroxyapatite). The apatite layer is used as a mineralization site for bone cells and finally allows an intimate bond between the bioactive glass and osseous tissues. This bond is typical of bioactivity, which can be modulated through several parameters of the glass, like composition in major and trace elements or textural properties (specific surface, porosity).In this context, we elaborated bioactive glasses in binary (SiO2-CaO) and ternary (SiO2-CaO-P2O5) systems. Glasses have been doped with zinc and magnesium ions through the sol-gel route. Thanks to the use of surfactants, we obtained mesostructured glasses. Finally, by using inverse opal method, organized macroporous glasses have been synthesized. The influence of these parameters on the reactivity of glasses in contact with a biological medium (DMEM) has been mainly studied by techniques using micro-ion beams. The X-ray emission induced by charged particles (PIXE) combined with Rutherford backscattering spectrometry (RBS) has indeed demonstrated clear effects on the kinetics, the amplitude, and the spatial distribution of the physico-chemical reactions.

L'ingénierie tissulaire consiste à assembler de façon intelligente des cellules et des matériaux biocompatibles dans le but de créer des tissus artificiels. Pour la construction de tissus en laboratoire, il est indispensable d'élaborer des matériaux qui miment cet environnement. Dans ce cadre, la collaboration entre les scientifiques de différents domaines (matériaux, chimie, biologie, biochimie) s'avère nécessaire. L'ingénierie du muscle squelettique est prometteuse pour remplacer le tissu musculaire endommagé et pour le traitement des maladies du muscle, mais aussi pour les essais pharmaceutiques. Dans ce but, les matériaux avec les propriétés mécaniques et chimiques contrôlées sont requis -- pour l'amplification et la différenciation in vitro de cellules souches musculaires, mais aussi pour l'étude de la myogenèse sur des microenvironnements contrôlés 2D et dans les matrices 3D. Dans ce travail, nous avons utilisé la technique d'assemblage couche par couche (LbL, layer-by-layer) pour deux buts. Le premier a été de développer de nouveaux films biomimétiques possédant des propriétés biochimiques et mécaniques parfaitement contrôlées, pour étudier les interrelations entre ces deux paramètres sur les processus cellulaires. En plus, nous avons associé ces films biomimetiques aux substrats avec la topographie contrôlée, afin de guider la formation du tissu. Dans un second temps, nous avons utilisé la technique LbL pour organiser les cellules en structures 3D. Nous avons ainsi crée des microtissus d'épaisseur contrôlée, qui pourraient être utilisés en tant que modèles de tissus artificiels pour les applications thérapeutiques ou pour les évaluations de médicament en industrie pharmaceutique. / Tissue engineering approach consists in combining cells, engineering and biomaterials to improve the biological functions of damaged tissues or to replace them. Production of “artificial tissues” is still challenging and requires collaboration of scientists from different domains like cell biology, chemistry, materials and polymer science. Skeletal muscle tissue engineering holds promise for the replacement of muscle due to an injury and for the treatment of muscle diseases, such as muscle dystrophies or paralysis, but is also required for pharmaceutical assays. To this end, materials with tunable mechanical and biochemical properties for myoblast expansion and differentiation in vitro, as well as for the studies of myogenesis on controlled 2D microenvironments or in 3D scaffolds, are crucially needed. In this work, we use layer-by-layer (LbL) assemblies for two goals. The first consisted in the development of multifunctional biomimetic thin films for the control of skeletal muscle cell fate on 2D substrates. We use LbL films made of polypeptides, which can be stiffened by chemical cross-linking and can be specifically functionalized by grafting of biomimetic peptides onto their surface. In addition, we combined the peptide-grafted films with substrate microtopography. Such approach is promising for the development or multifunctional materials that combine the different stimuli present in in vivo ECM, among them physical and biochemical cues, but also microtopography. In the second part, we use LbL assemblies for the construction of 3D skeletal muscle microtissues. This allows to rapidly build 3D muscle tissues and is promising for the in vitro construction of physiologically relevant skeletal muscle tissue models.

Les multicouches de polyelectrolytes, systèmes auto-assemblés par adsorption successive de polycations et de polyanions, constituent un matériau d’intérêt pour la fonctionnalisation de surface. Ce type de revêtement possède toutefois quelques limitations majeures : leur construction est lente et fastidieuse ; leur tenue mécanique et chimique est faible. Récemment, une méthode basée sur l’auto-construction de films par l’utilisation d’un morphogène, i.e. un gradient de catalyseur généré depuis une surface, a été développé permettant ainsi une rapide construction de revêtements robustes. Cette technique reste toutefois limitée à des systèmes particuliers basés sur la chimie click ou sur des interactions hôtes-invités. Nos travaux ont permis de diversifier cette approche de construction tout-en-un par l’utilisation de morphogènes. Dans un premier temps, des brosses de polymères ont été construites en une étape depuis une surface par la réaction de polymérisation ATRP. Cette réaction a été catalysée par la formation d’ions Cu(I) (le morphogène) par électrochimie depuis la surface de travail. L’approche morphogénique a également été utilisée afin de construire des films de polyélectrolytes et de polyampholytes en une étape par la génération électrochimique d’un gradient de protons (le morphogène) depuis la surface de travail. Ces films ont été fonctionnalisés pour présenter une activité enzymatique. / Polyelectrolyte multilayers, i.e. self-assembled systems based on successive polycation and polyanion adsorptions, constitute interesting materials for surface functionalization. These coatings possess several limitations: they are weak towards chemical and mechanical constraint and their buildup is long and tedious. Recently, a new method based on the self-construction of films by the means of a morphogen (a catalyst gradient generated from a surface) has attracted attention since it allows the quick self-assembly of robust films. Nevertheless, this technique was quite limited to peculiar systems based on click chemistry or on host-guest interactions.This present work generalize the one-pot morphogenic approach to other systems. In the first place, polymer brushes were built up from a surface by ATRP polymerization. The Cu(I) catalyst (the morphogen) was electrochemically generated at the interface.The morphogenic approach was later used to buildup polyelectrolytes and polyampholyte films in a one-pot manner by electrochemically generating protons (the morphogens) at the interface. These films exhibited an enzymatic activity.

Ce travail présente un procédé innovant d’élaboration de revêtements prothétiques phosphocalciques : l’électrodéposition. Il porte sur la synthèse et la caractérisation de phosphates de calcium destinés au recouvrement de prothèses de hanche. Un protocole original a été développé en associant l’électrodéposition en mode courant pulsé à un traitement thermique sous atmosphère contrôlée appelé THUCA. La morphologie, la composition et la structure des revêtements obtenus ont été analysées respectivement par MEB, microanalyse X et diffraction des rayons X. Les résultats ont montré que nous obtenons un implant constitué d’un revêtement biphasique (hydroxyapatite HAP et phosphate tricalcique b-TCP) sur l’alliage de titane TA6V.Les caractérisations mécaniques par indentation, les tests de rayure (scratch test) et d’usure (tribologique) réalisées pour la première fois sur cet implant ont montré que le revêtement possède un excellent aspect cohésif et adhésif avec une excellente résistance à l’usure. Par ailleurs, la bioactivité des revêtements élaborés est évaluée en milieu physiologique en étudiant d’une part leur comportement vis-à-vis de la corrosion, et d’autre part leur comportement en milieu de culture cellulaire. L’ensemble de ces résultats indiquent que l’implant proposé possède de bonnes propriétés faisant de lui un bon candidat en tant qu’implant pour la chirurgie orthopédique.Par ailleurs, ce travail de thèse a été achevé par des études préliminaires concernant une technique complémentaire à l’électrodéposition : l’électrophorèse. Nous avons obtenu pour la première fois un revêtement constitué de nanoparticules d’hydroxyapatite ayant de bonnes propriétés mécaniques. / This work presents an innovative process to develop prosthetic calcium phosphate coatings: electrodeposition. It focuses on the synthesis and characterization of calcium phosphates for the recovery of hip prostheses. Thus, an original protocol was developed, which combines pulsed current electrodeposition to a heat treatment method under controlled atmosphere called THUCA. Morphology, composition and structure of the coatings obtained were analyzed respectively by SEM, X-ray microanalysis and X-ray diffraction. The results showed that we obtain an implant consisting of a two-phases coating (HAP hydroxyapatite and tricalcium phosphate b-TCP) on the titanium alloy TA6V.Mechanical characterizations made by indentation, scratch tests (scratch test) and wear (tribological) for the first time on this implant showed that the coating has a good adhesive and cohesive appearance with improved wear resistance. Moreover, the bioactivity of the developed coatings was evaluated by studying their corrosion behavior in physiological medium and also their behavior in cell culture medium. All these results indicate that the proposed implant has good properties making it a good candidate as an implant for orthopedic surgery.Furthermore, this thesis was completed by preliminary studies of a complementary technique to electrodeposition: electrophoresis. We obtain for the first time a coating consisting of nano-particles of hydroxyapatite having good mechanical properties.