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.

L’ingénierie du tissu osseux est un domaine qui représente un enjeu majeur dans le cadre de la médecine régénératrice. Trois composants sont généralement décrits dans le cadre de l’ingénierie tissulaire : un biomatériau pour pallier le volume de tissu défectueux, une source de cellules progénitrices qui seront responsables de la synthèse des composants tissulaires ainsi que des facteurs de croissance ou des signaux issus des propriétés physico-chimiques du biomatériau afin de guider la prolifération et la différenciation cellulaire. Le but de cette étude a été de synthétiser des substrats phospho-calciques à l’aide de la technique de pulvérisation simultanée d’espèces réactives et de caractériser les différentes propriétés physico-chimiques des substrats obtenus. Nous avons pu démontrer la possibilité d’inclure des molécules organiques (chitosane et acide hyaluronique) à la phase minérale avec cette technique. Nous avons aussi montré la possibilité de faire varier des propriétés telles la rugosité (entre 300 et 700 nm), l’élasticité (entre 2 à 6 GPa), la composition chimique (phosphate octacalcique ou phosphate dicalcique dihydraté) et la bioactivité (précipitation des phosphates de calcium à la surface des substrats) avec la technique de pulvérisation. Par ailleurs, des cellules souches issues de la gelée de Wharton de cordons ombilicaux humains ont été isolées, puis caractérisées sur le plan génique et protéique. Ces cellules étant candidates pour l’utilisation en ingénierie tissulaire osseuse, nous nous sommes intéressés à plusieurs types de marqueurs dont les marqueurs mésenchymateux et les cytokines immuno-modulatrices.La dernière partie de cette thèse a concerné l’association des cellules souches isolées à partir de la gelée de Wharton aux substrats phospho-calciques obtenus à l’aide de la technique de pulvérisation. Nous avons pu démontrer que les cellules adhéraient sur ces substrats et s’organisaient en structures nodulaires au sein desquelles a été observée une couche de cellules sécrétrices entourant des fibres de collagène, des formations cristallines faîtes de phosphates de calcium et des cellules dont la morphologie rappelait celle des ostéocytes. Des variations dans l’expression de marqueurs ostéoblastiques ont aussi été observées, et ce en l’absence de facteurs solubles ostéogéniques dans le milieu de culture. En conclusion, les substrats phospho-calciques obtenus avec la technique de pulvérisation sont capables d’induire la différenciation de cellules souches issues du cordon ombilical en ostéoblastes. Ce modèle se révèle être prometteur pour la mise en place de thérapies en vue de la régénération du tissu osseux. / Bone tissue engineering is a major issue within regenerative medicine. There are three main components in the field of tissue engineering: a scaffold providing a structure for tissue development, a source of stem cells for tissue formation and growth factors or physical stimuli from the biomaterial to direct growth and differentiation of cells. The purpose of this study was to synthesize calcium phosphate substrates by simultaneous spraying of interacting species and to carry out the physico-chemical characterization of the built substrates. We showed that the spraying technique allows the inclusion of organic molecules such as chitosan and hyaluronic acid. The spraying technique allows several physio-chemical characteristics to be varied, rugosity (300 – 700 nm), elasticity (2 – 6 GPa), chemical composition (octacalcium phosphate or dicalcium phosphate dehydrate), but also studied the bioactivity of the substrates (calcium phosphate from the culture medium precipitates at thesurface of the substrates). In another hand, our aim was to isolate stem cells from human umbilical cords’ Wharton’s Jelly and to carry out their genic and proteic characterization by focusing on mesenchymal markers and immunomodulating cytokines, knowing that these cells are candidates for a use in bone regeneration therapy.The last purpose of our study was to evaluate the potential of Wharton’s jelly stem cells to adhere and proliferate onto the sprayed substrates, and also the formation of nodules. The ultrastructural analysis of nodules formed by Wharton’s jelly stem cells showed a layer of secretory cells surrounding collagen fibers, calcium phosphate crystals and cells with a similar morphology to that of osteocytes. Osteoblastic markers appeared to be regulated in cells cultured without osteogenic supplements. To conclude, sprayed calcium phosphate substrates seem to induce osteoblastic differentiation of Wharton’s jelly stem cells through the substrate’s physico-chemical properties. Our model appears as promising for further bone regenerative therapies.

No description available.

Hintergrund: Die Anzahl von Knochenfrakturen im Zusammenhang mit Traumata, sowie osteoporosebedingten Fragilitätsfrakturen oder auch Knochendefekten in Folge von Tumorresektionen steigt stetig an. Die Nutzung autologen, aber auch allogenen und xenogenen Spendermaterials ist limitiert. Eine vielversprechende Alternative sind Knochenkonstrukte, die über einen Tissue Engineering-Ansatz hergestellt werden. Dabei werden resorbierbare Biomaterialien mit biologisch aktiven Substanzen wie Wachstumsfaktoren oder Zellen kombiniert. Diese funktionalisierten Konstrukte regen nach einer Implantation in den Patienten die gesunde Knochensubstanz zur Heilung an und resorbieren idealerweise zugunsten des nachwachsenden, natürlichen Knochens. Eine neuartige Form des Tissue Engineerings ist der 3D-Biodruck („Bioprinting“), bei dem biologisch aktive Proteine und/oder Zellen mit Biomaterialien vermischt werden und anschließend durch ein additives Fertigungsverfahren zu Konstrukten verarbeitet werden. Dies hat einige Vorteile: Z.B. die Fertigung eines patientenspezifischen Konstrukts, welches direkt an den Defekt angepasst ist, aber auch eine gute Einstellbarkeit der Porosität des finalen Konstrukts, was vorteilhaft für die Nährstoffversorgung und Vaskularisierung sein kann. Vor allem erlaubt es eine ortsaufgelöste Verteilung, wodurch beispielsweise Zellen in einem Konstrukt so positioniert werden können, dass diese zu einem gewebeähnlichen Knochenkonstrukt reifen können. Fragestellung: Im letzten Jahrzehnt wurden einige technologische Fragestellungen im Bereich des Bioprintings gelöst. Für das Knochen-Tissue Engineering sind bisher allerdings nur wenige Ansätze präsentiert wurden. Dies liegt unter anderem daran, dass im Bioprinting vor allem Hydrogele verarbeitet werden. Diese sind allerdings sowohl chemisch, als auch mechanisch weit von natürlichem Knochengewebe entfernt und daher weniger als Knochenersatz geeignet. In dieser Arbeit wurde daher untersucht, ob (Bio-)printing eine für Knochen-Tissue Engineering-Strategien geeignete Methode ist. Dazu wurden zwei vielversprechende Ansätze verfolgt: (I) Mehrphasendruck von bioaktiven Calciumphosphatzementen in Kombination mit Zellen oder mit Wachstumsfaktoren funktionalisierten, biologisch aktiven Hydrogelen. (II) Entwicklung einer neuen Bioink, indem ein wachstumsfaktor- oder zellbeladenes Hydrogel mit einem bioaktiven Füllstoff geblendet wird. Die in der Doktorarbeit vorgestellten Studien sollen dabei insbesondere die Entwicklung dieser Ansätze darstellen, sowie deren Grenzen aufzeigen. Zusätzlich sollen grundlegende mechanische und biologische Eigenschaften der biogedruckten Knochenkonstrukte untersucht werden. Materialien und Methoden: Eine Technologie, die das Prinzip des Bioprintings ermöglicht, ist das sogenannte 3D-Plotten. Mit Hilfe eines Multikanal-Plotters können mehrphasige Konstrukte (Ansatz I), aber natürlich auch einphasige Konstrukte (Ansatz II) hergestellt werden. Für Ansatz I wurde ein klinisch zugelassener Calciumphosphatzement (CPC) als bioaktive Komponente verwendet. Für Ansatz II wurde ein bisher noch wenig erforschtes Nanomaterial namens Laponit verwendet, welches großes Potential für das Tissue Engineering besitzt. Die Biopoylmere Alginat und Methylcellulose bildeten die Grundlage für plottbare, wachstumsfaktor- und zellbeladene Pasten (Biomaterial-inks bzw. Bioinks). Zur Entwicklung einer spezifischen Bioink wurde humanes gefrorenes Frischplasma verwendet. Die rheologischen Eigenschaften neu entwickelter Biomaterial-inks und Bioinks, sowie die mechanischen Eigenschaften der geplotteten Hydrogele wurden charakterisiert. Weitere Untersuchungen schlossen die Quellung der Hydrogele und die Porosität der Konstrukte ein. Ein besonderes Augenmerk wurde auf die Formgenauigkeit der geplotteten Strukturen gelegt. Entsprechend der Untersuchungsansätze wurden verschiedene Zelltypen verwendet, insbesondere mesenchymale Stammzellen (MSC), die direkt mit der Paste verdruckt wurden. Als Modellwachstumsfaktor diente der angiogene vascular endothelial growth factor (VEGF). Dessen Freisetzung aus geplotteten Scaffolds wurde mittels ELISA überprüft; die biologische Aktivität wurde anhand des Wachstums von humanen Nabelschnurendothelzellen (HUVEC) untersucht. Ergebnisse: Zunächst wurde untersucht, ob Multikanal-Plotten geeignet ist, um CPC-Konstrukte patientenindividuell zu fertigen. Dies wurde mit Hilfe einer auflösbaren Methylcellulosepaste erreicht. Dieses Verfahren erlaubte die Herstellung von inneren Kavitäten, die mit anderen Herstellungsverfahren nicht möglich gewesen wären. Darüber hinaus konnte aus einem CT-Scan einer Hand ein Kahnbein extrahiert und virtuell modelliert werden, welches mit hoher Formgenauigkeit geplottet werden konnte. Es wurde gezeigt, dass dies auch auf biphasige Konstrukte aus CPC und einer Bioink anwendbar ist. Dies wurde durch die Entwicklung und Verarbeitung von Bioinks ermöglicht. Biogedruckte Zellen können in vitro und in vivo spezifische biologische Effekte bewirken. Dazu wurden innerhalb der Arbeit zwei Bioinks als plottbare Zellträgermaterialien entwickelt. Eine Bioink enthielt das Nanomaterial Laponit (Ansatz II), welches bereits in anderen Studien vorteilhafte Effekte für Knochen-Tissue Engineering-Ansätze gezeigt hat. Die neuentwickelte Laponit-haltige Bioink erlaubte die Fabrikation von Konstrukten mit hoher Formgenauigkeit. Darüber hinaus war die Zellviabilität, sowie die Zelldichteentwicklung erhöht im Vergleich zu einer Laponit-freien Kontrolle. Da Laponit eine heterogene Ladungsverteilung aufweist, wurde überprüft, inwieweit es ein geeignetes Freisetzungssystem für VEGF darstellt. Scaffolds, die aus einer VEGF-haltigen Paste hergestellt wurden, wiesen ein deutlich verändertes Freisetzungsprofil in Anwesenheit von Laponit auf, als Scaffolds ohne Laponit. So konnte eine initiale Freisetzung (Burstrelease) vermieden und gleichzeitig eine gleichmäßige Freisetzung beobachtet werden. VEGF war auch nach längerer Zeit im Scaffold noch biologisch aktiv. Die zweite Bioink wurde auf Basis gefrorenen, menschlichen Frischplasmas entwickelt. Blutplasma enthält Fibrinogen, das eine RGD-Sequenz für die Anheftung von MSC besitzt. Biogedruckte MSC, aber auch präosteoblastäre Zellen, zeigten eine hohe Neigung, sich in der Bioink aufzuspreizen, was für eingekapselte Zellen erschwert ist. Die plasmahaltige Bioink war dazu geeignet, zusammen mit CPC zu biphasigen Konstrukten (Ansatz I) verarbeitet zu werden. \par Dazu musste zunächst ein Postprozessierungsprotokoll für biphasige Konstrukte aus CPC und zellhaltigen Bioinks entwickelt werden. Aus vorherigen Studien ist bekannt, dass geplottete CPC-Konstrukte in wässrigen Lösungen Mikrorisse bilden, die die mechanischen Eigenschaften signifikant verschlechtern. Die Ausbildung der Mikrorisse kann durch eine Aushärtung in wasserdampfgesättigter Atmosphäre vermieden werden. In biphasigen Konstrukten mit Bioinks sollte diese Aushärtungsphase allerdings nur kurz sein, da eine lange Inkubation ohne wässrige Zellmedien zu einem Absterben der biogedruckten Zellen führen würde. Es konnte gezeigt werden, dass eine Inkubation für 20 min in wasserdampfgesättigter Atmosphäre ausreichend ist, um die Ausbildung von Mikrorissen im CPC zu vermeiden. Diese Zeitspanne konnte von den Zellen toleriert werden. In Kombination mit der plasmahaltigen Bioink wurde eine starke Proliferation und osteogene Reifung von biogedruckten präosteoblastären Vorläufern beobachtet. Schlussfolgerungen: In der vorliegenden Doktorarbeit wurde das Prinzip des extrusionsbasierten Biodrucks (3D-Plotten) verwendet, um biofunktionelle Konstrukte herzustellen. Dies erfolgte entweder durch die Beladung mit Wachstumsfaktoren oder mit Zellen vor der Fabrikation der Konstrukte. Bioaktive Materialien wurden entweder durch Multikanal-Plotten oder durch Supplementierung einer Bioink eingebracht. Beide Ansätze können prinzipiell sogar miteinander kombiniert werden. Die erzielten Ergebnisse belegen, dass Bioprinting eine geeignete Methode für das Knochen-Tissue Engineering darstellt. Patientenindividualisierte Konstrukte können mit dieser Technologie gefertigt werden. Auf diesen Ergebnissen aufbauend können weitere Untersuchungen in vivo die Wirksamkeit der vorgestellten Ansätze überprüfen und neue Therapieansätze für die Heilung von Knochendefekten entwickelt werden.:Abstract 9 Zusammenfassung 13 Index of Abbreviations 19 List of Figures 20 Preface 23 i generalis 1 introduction to the topic 29 1.1 Background 29 1.2 Terminology 29 1.3 Physiological Properties of Bone Tissue 31 1.3.1 Composition of Bone 31 1.3.2 Bone Cytology 33 1.3.3 Crosstalk 34 1.4 Bone Grafting 34 1.4.1 Biopolymers 35 1.4.2 Calcium Phosphates 38 1.4.3 Nanoclays 41 1.5 Additive Manufacturing in Medicine & Bioprinting 43 1.5.1 Additive Manufacturing in Tissue Engineering 43 1.5.2 Bioprinting Techniques 44 1.6 Bioinks & Biomaterial Inks 48 1.6.1 Rheology 48 1.6.2 Plottability & Shape Fidelity 49 1.6.3 Post-Processing 52 1.6.4 Biocompatiblity & Biodegradation 53 1.6.5 The Biofabrication Window 53 2 aim of the thesis 55 2.1 Preliminary Studies 55 2.2 Research Questions 57 ii specialis 3 A methylcellulose hydrogel as support for 3D plotting of complex shaped calcium phosphate scaffolds 61 4 Development of a clay based bioink for 3D cell printing for skeletal application 77 5 Bioprinting of mineralized constructs utilizing multichannel plotting of a self-setting calcium phosphate cement and a cell-laden bioink 97 6 A novel plasma-based bioink stimulates cell proliferation and differentiation in bioprinted, mineralized constructs 113 iii conclusio 7 Summary & Conclusion 133 7.1 Bioprinting of bone tissue constructs 133 7.2 Technological Improvements 134 7.3 Bioink Development 136 7.4 Limitations & Future Research Directions 138 Bibliography 140 Danke 155 Appendix Erklärungen zur Eröffnung des Promotionsverfahrens 165 Erklärung über die Einhaltung gesetzlicher Bestimmungen 166 Auszug aus dem Journal Citation Report 166 Conferences 167 / Background: The number of trauma-related bone fractures, fragility fractures resulting from osteoporosis or bone defects after tumor resections is increasing. The usability of autologous, but also allogenous and xenogenous bone grafts is limited. Bone grafts being manufactured using a tissue engineering approach are a promising alternative. For this, resorbable biomaterials are combined with biological components such as cells and growth factors. These functionalized constructs stimulate the formation of novel bone tissue after implantation in the patient and resorb in favor of regrowing, native bone. A new form of tissue engineering is 3D bioprinting. Biologically active proteins and/or cells are mixed with biomaterials and get fabricated to constructs by a convenient additive manufacturing technology. This offers great advantages. For example, the patient-specific tissue engineered constructs can be manufactured fitting exactly to the respective defect. Further, it allows full control about the porosity of the final construct which is considered to be advantageous for nutrient supply and vascularization. Most crucial, it allows the spatial distribution of cells within the three-dimensional construct, which facilitate the maturation of the construct to the tissue-like graft. Research Questions: In the last decade some technological challenges in the field of bioprinting have been solved. Nevertheless, for bone tissue engineering only a small number of approaches had been developed. One of the reasons for this is that bioprinting technologies usually enable the processing of materials that are chemically and mechanically rather distant from the bone, particularly hydrogels. These materials are less suitable as bone substitutes. The aim of this work was to research new approaches of extrusion-based (bio-)printing for bone tissue engineering strategies. For this purpose two promising approaches were investigated: (I) Multichannel printing of bioactive calcium phosphate cements in combination with biologically active hydrogels which were loaded either with growth factors or cells. (II) Development of a new bioink by supplementation of growth factor- or cell-laden hydrogels with a bioactive filler material. The presented studies of this thesis demonstrate the feasibility of these approaches as well as their limits. In addition, fundamental mechanical and biological properties of the bioprinted bone constructs are investigated. Materials and Methods: A technology that makes the principle of bioprinting possible is the so-called 3D plotting. With the aid of a multichannel plotter, multiphasic constructs can be fabricated (approach I), but of course also monophasic constructs are possible (approach II). For approach I, a clinically certified calcium phosphate cement (CPC) was used as bioactive component. For approach II, a less investigated nanomaterial called Laponite was used which was shown before to hold great potential for tissue engineering applications. The biopolymers alginate and methylcellulose formed the basis for plottable, growth factor-laden (biomaterial inks) and cell-laden (bioinks) pastes. For the development of one specific bioink, human fresh frozen plasma was used. Rheological properties of the newly developed biomaterial inks and bioinks were characterized, additionally mechanical properties of plotted constructs were investigated. Further studies investigated the swelling of the hydrogels and the porosity of the constructs. Particular attention was payed to the shape fidelity of the plotted structures. Different cell types were used according to the aim of the subject of research; special attention was payed to the use of mesenchymal stem cells which were plotted directly in combination with the biomaterial, forming the bioink. The angiogenic vascular endothelial growth factor (VEGF) was used as model protein for release studies from bioprinted structures; its biological activity was investigated by proliferation studies of human umbilical vein endothelial cells (HUVEC). Results Firstly, it was investigated whether multichannel plotting is a suitable technology for the fabrication of patient-specific CPC constructs. This was achieved by plotting of a fugitive methylcellulose support ink. This procedure allowed the manufacturing of inner cavities which would not have been possible with other scaffold fabrication methods. Moreover, it was possible to extract a scaphoid bone from a CT scan of a human hand which was modeled virtually and fabricated subsequently with high shape fidelity. Later it was demonstrated that this procedure can be adapted to biphasic constructs consisting of CPC and cell-laden hydrogels. This was achieved by developing and processing bioinks. Bioprinted cells can evoke biological effects in vitro and in vivo. For this purpose two bioinks were developed within this work acting as cell carrier materials. The first bioink contained the nano material Laponite (approach II) which has demonstrated positive effects for bone tissue engineering before. The novel Laponite-based bioink enabled the fabrication of constructs with high shape fidelity. Furthermore, cell viability and cell density were increased compared to a Laponite-free control. Since Laponite offers a heterogeneous charge distribution, it was investigated whether it is a suitable delivery system for VEGF. Scaffolds with Laponite demonstrated a distinct different release profile compared to Laponite-free scaffolds. Thus an initial burst-like release could be avoided and at the same time a uniform release could be observed. The released VEGF was biologically active also after longer time in the scaffold. The second bioink was developed using fresh frozen human blood plasma. Plasma contains fibrinogen which holds a RGD motif for the attachment of MSC. Bioprinted MSC and preosteoblastic cells showed a high affinity to spread within the bioink, which is difficult to achieve for encapsulated cells. The plasma-based bioink was suitable for the combined fabrication of biphasic constructs with CPC (approach I). To achieve this, firstly a suitable post-processing for biphasic constructs consisting of CPC and cell-laden bioinks had to be developed. From previous studies it is known that plotted CPC constructs form microcracks in aqueous media during setting, which impair mechanical properties. The formation of the microcracks can be avoided by setting in water-saturated atmosphere. In biphasic constructs with bioinks this phase should only be short since a long incubation in absence of aqueous cell culture media would lead to cell death within the bioink. It could be shown that incubation for 20 min in water-saturated atmosphere is convenient to avoid the formation of microcracks in CPC strands. This time could be tolerated by the cells. In combination with the plasma-based bioink, a strong proliferation and osteogenic maturation of bioprinted preosteoblastic cells could be observed. Conclusion: In this thesis, the principle of extrusion-based bioprinting (3D plotting) was used to fabricate biofunctionalized constructs. This was achieved by loading cells or growth factors before manufacturing of the constructs. Bioactive materials could be embedded into the constructs by either multichannel plotting or by supplementation of a bioink with a bioactive filler material. In principle both approaches even could be combined with each other. The results obtained prove that bioprinting is a suitable method for bone tissue engineering. Patient-specific constructs can be fabricated by this technology. Based on these results, further studies should be performed in vivo to investigate the potency of the approaches for the development of new regenerative therapies to treat bone defects.:Abstract 9 Zusammenfassung 13 Index of Abbreviations 19 List of Figures 20 Preface 23 i generalis 1 introduction to the topic 29 1.1 Background 29 1.2 Terminology 29 1.3 Physiological Properties of Bone Tissue 31 1.3.1 Composition of Bone 31 1.3.2 Bone Cytology 33 1.3.3 Crosstalk 34 1.4 Bone Grafting 34 1.4.1 Biopolymers 35 1.4.2 Calcium Phosphates 38 1.4.3 Nanoclays 41 1.5 Additive Manufacturing in Medicine & Bioprinting 43 1.5.1 Additive Manufacturing in Tissue Engineering 43 1.5.2 Bioprinting Techniques 44 1.6 Bioinks & Biomaterial Inks 48 1.6.1 Rheology 48 1.6.2 Plottability & Shape Fidelity 49 1.6.3 Post-Processing 52 1.6.4 Biocompatiblity & Biodegradation 53 1.6.5 The Biofabrication Window 53 2 aim of the thesis 55 2.1 Preliminary Studies 55 2.2 Research Questions 57 ii specialis 3 A methylcellulose hydrogel as support for 3D plotting of complex shaped calcium phosphate scaffolds 61 4 Development of a clay based bioink for 3D cell printing for skeletal application 77 5 Bioprinting of mineralized constructs utilizing multichannel plotting of a self-setting calcium phosphate cement and a cell-laden bioink 97 6 A novel plasma-based bioink stimulates cell proliferation and differentiation in bioprinted, mineralized constructs 113 iii conclusio 7 Summary & Conclusion 133 7.1 Bioprinting of bone tissue constructs 133 7.2 Technological Improvements 134 7.3 Bioink Development 136 7.4 Limitations & Future Research Directions 138 Bibliography 140 Danke 155 Appendix Erklärungen zur Eröffnung des Promotionsverfahrens 165 Erklärung über die Einhaltung gesetzlicher Bestimmungen 166 Auszug aus dem Journal Citation Report 166 Conferences 167

Předložená diplomová práce je zaměřená na studium viscoelastického chování kostních past na bázi fosforečnanu vápenatého a vodného roztoku termosenzitivního triblokového kopolymeru, zlepšujícího tokové vlastnosti pasty. V teoretické části je zpracována stručná charakteristika cementů na bázi fosforečnanu vápenatého. Rovněž se zabývá charakteristikou reologických vlastností injektabilních kostních past. Součástí je také stručný přehled aditiv ovlivňujících právě reologické a mechanické vlastnosti past. Experimentální část je zaměřena na charakterizaci triblokového kopolymeru pomocí nukleární magnetické rezonanční spektroskopie a reologie. Dále byly připravovány modifikované fosfátové cementy, u kterých byly posléze studovány viskoelastické vlastnosti. Kostní pasta byla modifikována přídavkem adhezivních sloučenin (dopamin a jodičnan sodný) a antibakteriálním činidlem (selenové nanočástice). Analýza viskoelastických vlastností byla provedena reologickou analýzou, během níž byl primárně sledován proces vytvrzování a tixotropní chování jak nemodifikovaných, tak modifikovaných fosfátových past. Proces vytvrzování probíhal při teplotě 23 °C a 37 °C, imitující fyziologické prostředí. Morfologie fosfátové keramiky byla charakterizována pomocí rastrovací elektronové mikroskopie a velikost částic byla zjištěna pomocí laserového analyzátoru částic. Bylo prokázáno, že výše zmíněná aditiva mají pozitivní vliv na kinetiku procesu vytvrzování kostních past. Selenové nanočástice navíc vylepšily tixotropní chování polymer-fosfátových past. Z tohoto důvodu jsou tyto nové injektabilní kompozitní pasty vhodné pro miniinvazivní chirurgii. Díky aditivům, vykazujících adhezivní vlastnosti, mají potenciál uplatnit se při léčbě zlomenin. Stejně tak se nabízí možnost využít pasty při léčbě osteomyelitidy, a to díky možnému uvolňování antibakteriálních nanočástic.

Předložená diplomová práce se zabývá přípravou a charakterizací vzorků z kompozitního kostního cementu na bázi fosforečnanu vápenatého (CPC). V teoretické části jsou popsány vlastnosti a struktura fosforečnanů vápenatých, včetně jejich interakce s tělním prostředím. Experimentální část nejdříve popisuje stanovení optimální techniky přípravy vzorků pomocí experimentů prováděných v ultračisté vodě. Optimální technika pro vytvrzování zahrnuje použití formy z paměťové pěny, ukončení vytvrzovacích reakcí pomocí absolutního chladného etanolu a sušení vzorků ve vakuové sušárně. Následně je v práci popsána příprava vzorků a proces vytvrzování CPC jak v přirozeném (prasečí krev), tak v prostředí simulovaných tělních tekutin (fyziologický roztok, Hankův a Ringerův roztok). Byla provedena morfologická studie pomocí skenovací elektronové mikroskopie (SEM) pro vzorky vytvrzené 1 den, 1 týden, 2 týdny a 1 měsíc kvůli očekávané významné změně v jejich krystalické struktuře, která byla taktéž zkoumána pomocí rentgenové difrakce (XRD), stanovující přeměnu -fosforečnanu vápenatého na kalcium deficitní hydroxyapatit (CDHA). Porozita vzorků byla zkoumána rentgenovou mikrotomografií (-CT) a vzorky vytvrzené v krvi vykazovaly mírně vyšší porozitu. Mechanické vlastnosti CPC vzorků byly zkoumány pomocí mechanických kompresních testů. Výsledky testů ukázaly stabilní pevnost cementových vzorků vytvrzených ve fyziologickém roztoku už po jednom dni vytvrzování, zatímco vzorky vytvrzené v krvi vykazovaly nárůst pevností dokonce i po jednom měsíci vytvrzování. Naopak pevnost vzorků vytvrzených jak v Hankově, tak v Ringerově roztoku rychle klesla po 2 týdnech vytvrzování pravděpodobně důsledkem mírně kyselého pH vytvrzovacích roztoků, které urychluje rozpad CPC vzorků. Výsledky práce ukazují významný vliv vytvrzovacích prostředí na vlastnosti CPC kostních cementů. Vzorky vytvrzené v krvi oproti vzorkům vytvrzených v umělé tělní plazmě vykázaly lepší vlastnosti, protože krev imituje in vivo podmínky.

Malgré les avancées thérapeutiques récentes, le pronostic des patients porteurs de métastases osseuses (MO) reste faible, ce qui incite à chercher des nouvelles stratégies thérapeutiques. Les chimiokines sont des acteurs majeurs de la réponse immune, et apparaissent comme des cibles potentielles de l’immunothérapie anti-cancéreuse. Nous avons recherché à définir si la chimiokine CX3CL1 pouvait représenter un axe thérapeutique efficace dans le contexte des MO. Pour cela nous avons développé des modèles murins de MO de cancer du rein et du poumon. Dans le modèle de MO de cancer du poumon, notre travail a démontré que l'expression de CX3CL1 inhibe la croissance tumorale. L’analyse transcriptomique des tumeurs a montré que CX3CL1 diminue (i) l’ostéloyse via un effet sur la triade OPG/RANKL/RANK (ii) l'expression de certains checkpoints, en faveur d’une réponse immune antitumorale. En revanche, dans le modèle de MO de cancer du rein, l’expression de CX3CL1 stimule le développement tumoral et l'ostéolyse via une action sur la triade OPG/RANKL/RANK et inhibe la réponse immune antitumorale via une augmentation de l'expression de certains checkpoints immunitaires. Les bisphosphonates (BPs) sont des agents utilisés pour le traitement des MO. Afin de réduire leurs effets indésirables, nous avons utilisé des ciments de phosphate de calcium (CPC), pour délivrer localement dans l’os des BPs (alendronate, ALN). Notre travail a mis en évidence que (i) ces ciments chargés en ALN relarguent en continue les BPs, (ii) le relarguage d’ALN est efficace pour induire des effets cytotoxiques et pro-apoptotiques vis à vis des cellules de cancer du sein / Despite recent therapeutic improvments, the prognosis for a patient with bone metastases (BM) remains poor, this situation prompting the research of new therapeutic strategies. Chemokines are central players in the immune response, and appear as potential targets in anti-cancer immunotherapies. We are interested to determine whether the CX3CL1 chemokine exerted pro or anti-tumor actions within the bone metastatic context. To address this issue, we developed mouse models of lung or renal cancer BM. In lung cancer BM model, our work demonstrated that CX3CL1 expression led to tumor growth inhibition. Tumors transcriptomic analysis revealed that CX3CL1: (i) impacted bone metabolism by modulating the OPG/RANKL/RANK triad (ii) decreased the expression of certain immune checkpoints, this up-regulating the anti-tumor immune response. By contrast, in renal cancer BM model, CX3CL1 expression stimulated bone tumor development and transcriptomic analysis showed that CX3CL1 (i) promoted osteolysis through an action on the OPG/RANKL/RANK triad (ii) -induced tumor development correlated with an increased expression of certain immune checkpoints, this down-regulating the anti-tumor immune response. Bisphosphonates (BPs) are targeted agents used for BM treatment. In order to reduce their side effects, we used resorbable calcium phosphate cements (CPC), which are frequently used as bone void fillers, as platform for a local delivery of BPs (alendronate, ALN). As a whole, our in vitro data demonstrated that: (i) ALN-CPC cements continuous released ALN; (ii) this ALN release was effective in inducing cytotoxic and pro-apoptotic effects in breast cancer cells

Für die Behandlung von Knochendefekten überkritischer Größe stehen seit einigen Jahren zahlreiche resorbierbare Materialien zur Verfügung, die eine Defektheilung bis hin zur vollständigen knöchernen Regeneration erlauben. Im Fall systemischer Knochenerkrankungen, insbesondere im osteoporotischen Knochen, ist jedoch die Selbstheilungskapazität des Gewebes stark eingeschränkt, was neben der Defektbehandlung eine knochenanabole sowie resorptionshemmende Therapie erfordert. Diese kann beispielsweise durch die Gabe von Strontium-haltigen Präparaten erreicht werden, da der duale Wirkmechanismus der Strontium-Ionen zu vermehrter Knochenneubildung bei gleichzeitig verminderter Knochenresorption führt. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung eines Strontium-haltigen Knochenzements, welcher eine Freisetzung von Strontium-Ionen spezifisch im jeweiligen Knochendefekt und somit eine lokale Stimulation der Knochenneubildung ermöglicht. Basierend auf einem etablierten Calciumphosphat-Knochenzement wurden Strontium-haltige Zementvarianten hergestellt und ausgiebig charakterisiert. Im Gegensatz zu den meisten bislang verfolgten Methoden konnten Zemente mit deutlich verbesserten mechanischen Eigenschaften hergestellt werden, welche weiterhin Strontium-Ionen in physiologisch relevanten Konzentrationen freisetzen. Durch Zellkulturuntersuchungen an humanen Zellen sowohl der osteoblastären- als auch osteoklastären Linie konnte eine Stimulation der für den Knochenaufbau verantwortlichen Zellen sowie eine Hemmung der den Knochen resorbierenden Zellen durch die entwickelten Zemente nachgewiesen werden.

Das multiple Myelom ist eine seltene maligne Knochenerkrankung bei insbesondere älteren Menschen. Dabei vermehren sich im Knochenmark in hohem Maße unkontrolliert entartete Plasmazellen. Diese Myelomzellen unterdrücken einerseits die Bildung von normalen Plasmazellen, andererseits wird das Gleichgewicht zwischen Knochenaufbau und –abbau empfindlich gestört, woraus eine erhöhte Knochenresorption resultiert. Neben den bisher angewandten Chemo- und Strahlentherapien gewinnen innovative Medikamente, wie Proteasominhibitoren und Bisphosphonate, in der Therapie an Bedeutung. Diese Medikamente reduzieren das Myelomzellwachstum und wirken hemmend auf den Knochenabbau. Durch das Auffüllen von durch Resorptionsprozesse geschädigten Knochendefekten mit wirkstoffbeladenen Calciumphosphatzementen (CPC) wird nicht nur der Knochen stabilisiert, sondern im Vergleich zur herkömmlichen oralen oder intravenösen Medikamentenverabreichung eine gezielte Freisetzung des Wirkstoffes direkt am Wirkort in wesentlich reduzierten Dosen ermöglicht. Durch die Kombination des Knochenzementes mit anderen effizienten Drug-Delivery-Systemen (DDS), wie z. B. Polymeren, kann eine optimale Anpassung der Wirkstofffreisetzung ermöglicht werden. Insbesondere haben sich bereits dendritische Polymere aufgrund ihrer globularen Struktur und Vielzahl an peripheren Funktionalitäten als besonders geeignete Wirkstoffträgersysteme herausgestellt. Bei der Anwendung im physiologischen System spielt insbesondere die Biokompatibilität dieser polymeren DDS eine entscheidende Rolle. Durch Modifizierung der peripheren Gruppen mit biokompatiblen Einheiten, wie Oligosacchariden oder Aminosäuren, kann die physiologische Verträglichkeit signifikant erhöht werden. Für die Behandlung des multiplen Myeloms am Knochen sollte in dieser Arbeit ein geeignetes dendritisches DDS auf Basis von hochverzweigtem Polyethylenimin (PEI) synthetisiert und charakterisiert werden. Das DDS sollte dabei verschiedene Anforderungen, wie eine hohe Wasserlöslichkeit und Biokompatibilität, erfüllen. Weiterhin sollten die mechanischen Eigenschaften des CPC nicht negativ beeinflusst werden und der Wirkstoff sollte effektiv vom DDS aufgenommen und kontrolliert aus dem generierten Komposit (Wirkstoff/DDS/CPC) freigesetzt werden. In der sogenannten N-Carboxyanhydrid (NCA)-Polymerisation wurden am PEI(5) (5 ≙ Mw 5 kDa) benzylgeschützte Polyglutaminsäure bzw. Polyasparaginsäureketten aufgepfropft. Durch hydrolytische Abspaltung der Schutzgruppen an den PBLG-Ketten von PEI(5)-PBLG-346 und PEI(5)-PBLA-346 erfolgte die Generierung der wasserlöslichen DDS PEI(5)-PGlu-346 und PEI(5)-PAsp-346. Die Charakterisierung der synthetisierten Kern-Schale-Architekturen PEI(5)-PBLG-346, PEI(5)-PBLA-346, PEI(5)-PGlu-346 und PEI(5)-PAsp-346 zeigte, dass nur wenige lange Polyaminosäureketten an wenigen primären und sekundären Aminogruppen des PEI(5) aufgebaut wurden. Aufgrund der noch freien primären und sekundären Aminogruppen am PEI(5) und den peripheren Aminogruppen an den Polyaminosäureketten wurden durch die Anbindung von Maltose- bzw. Laktoseeinheiten Kern-Schale-Architekturen mit einer binären Doppelschalenstrukturen erzeugt. Im Gegensatz zu reiner Polyglutaminsäure zeigten die mit Glutaminsäure modifizierten Polymerstrukturen PEI(5)-PGlu-346 und PEI(5)-PGlu-346-Mal interessante strukturelle Eigenschaften in wässriger Umgebung. Aufgrund des pH-abhängigen Ladungszustandes resultiert bei reinen Polyglutaminsäureketten normalerweise der typische Helix-Coil-Übergang. Dabei findet eine Konformationsumwandlung der α-helikalen Struktur zur ungeordneten Sekundärstruktur statt. Im Falle der PEI(5)-PGlu-346- und PEI(5) PGlu-346-Mal-Copolymere wurde jedoch keine α-helikale Konformation bei niedrigem pH-Wert nachgewiesen. Die PGlu-Ketten der wasserlöslichen Kern-Schale-Architekturen bildeten sowohl im sauren, als auch im basischen pH-Wertbereich eine ungeordnete Sekundärstruktur aus. Zusätzlich konnte nachgewiesen werden, dass die Kern-Schale-Architekturen in Abhängigkeit vom pH-Wert als isolierte Makromoleküle bzw. Aggregate mit unterschiedlich lang gestreckten Peptidketten vorliegen. Die Ursache dafür sind nicht-kovalente, intra- und intermolekular wirkende Kräfte. Zur Beurteilung der Kern-Schale-Architekturen als geeignete DDS wurde die Komplexierung des Proteasominhibitors Bortezomib (BZM) in die reinen Copolymere PEI(5)-PGlu-346, PEI(5)-PGlu-346-Mal und PEI(25)-Mal B (25 ≙ Mw 25 kDa, ohne Polyglutaminsäureketten) sowie deren Polyelektrolytkomplexe untersucht. Dabei wurden Copolymer/BZM- bzw. PEK/BZM-Komplexe in verschiedenen Verhältnissen hergestellt und die Komplexierungskapazität durch zeitabhängige Ultrafiltration UV/Vis-spektroskopisch ermittelt. Im Vergleich zu den glutaminsäuremodifizierten Copolymeren wurde durch PEI(25)-Mal B etwa doppelt so viel Wirkstoff in verschiedenen wässrigen Systemen aufgenommen. Der Grund dafür ist der größere PEI-Kern und die dementsprechend höhere Anzahl an peripheren Aminogruppen mit gebundenen Maltoseeinheiten. Die PEK zeigten im Vergleich zu den Copolymeren keine Verbesserung der Komplexierungskapazität. Um eine effektive Wirkstofffreisetzung für eine dosierte Langzeittherapie aus dem Kompositmaterial zu erhalten, ist eine stark verzögerte Freisetzung des Copolymers bzw. PEK selbst aus dem CPC notwendig. In Abhängigkeit von der Konzentration wurde für PEI(25)-Mal B eine geringere Freisetzung aus dem Copolymer/CPC- und PEK/CPC ermittelt. Aufgrund der nanoskaligen Dimension der polymeren Strukturen wird die Diffusion durch das offene CPC-Porensystem erschwert. Für die PEI(5)-PGlu-346, PEI(5)-PGlu-346-Mal und die zugehörigen PEK wurde hingegen keine messbare Freisetzung aus dem CPC nachgewiesen. Die Glutaminsäureeinheiten können Calciumionen komplexieren und beeinflussen dadurch die Keimbildung und das Wachstum der CaP-Phase. Die Copolymerstrukturen werden somit in den CPC integriert und können nur durch Abbau des schwerlöslichen Zementes freigesetzt werden. Bei den Untersuchungen der BZM-Freisetzung aus den BZM/Copolymer/CPC- und BZM/PEK/CPC-Kompositen kristallisierte sich BZM/PEI(5)-PGlu-346-Mal/CPC als effektivstes DDS heraus. Im Vergleich zum reinen BZM in CPC wurde nach 24 h nur etwa die Hälfte des Wirkstoffes aus dem Komposit freigesetzt. Weiterhin steigerte sich die Freisetzungsrate über den gesamten Zeitraum von 14 Tagen auf nur etwa 60 %. Aus dem BZM/CPC-Komposit wurden nach 14 Tagen mehr als 75 % BZM freigesetzt. In Kooperation mit der Arbeitsgruppe von Prof. Michael Gelinsky vom Zentrum für Translationale Knochen-, Gelenk- und Weichgewebeforschung (TU Dresden) wurde keine signifikante Änderung der Druckfestigkeit des CPC durch die Integration der glutaminsäuremodifizierten Copolymere festgestellt. Weiterhin wurde in in vitro-Untersuchungen mit osteogen stimulierten humanen mesenchymalen Stammzellen (hMSC) kein entscheidender Einfluss der in dieser Arbeit hergestellten PEI(5)-PGlu-346- und PEI(5)-PGlu-346-Mal-Copolymere auf die Proliferation der Zellen beobachtet. Zudem war bei beiden Copolymeren eine osteogene Differenzierung der hMSC zu knochenbildenden Osteoblasten nachweisbar, wobei PEI(5)-PGlu-346-Mal die Entwicklung der Stammzellen zu knochenbildenden Zellen sogar zu fördern scheint. Durch die Kombination von hochverzweigtem PEI mit Polyglutaminsäure und Maltose wurde in dieser Arbeit ein innovatives DDS für die kontrollierte und effektiv verzögerte Freisetzung von BZM aus CPC erzeugt, welches die einleitend erwähnten Anforderungen erfüllt. Das Copolymersystem weist eine hohe Biokompatibilität auf, ohne die mechanischen Eigenschaften des CPC zu verändern. Diese Arbeit hat daher einen entscheidenden Beitrag im Bereich der Wirkstofffreisetzung aus festen Materialien geliefert und bildet die Grundlage für zukünftige polymere DDS in CPC.

Natural composites, in particular nacre, often combine high strength and toughness thanks to highly ordered architectures and controlled geometries of the reinforcement components. However, combining strength, toughness and resorbability in synthetic materials remains a challenge in particular in the field of bone graft substitutes. In the present study, calcium phosphate-(CaP-)based materials with designed architectures inspired from natural composite materials were achieved. CaP platelets obtained by precipitation in organic medium were first aligned in chitosan matrices by solvent casting in ambient conditions. Efficient strengthening was obtained with 15 vol-% ceramic, reaching cortical bone strength (150 MPa) and preserving good ductility (5 % deformation). In a weak magnetic field, high spatial arrangement without percolation was maintained up to 20 vol-%. With directional freezing, good alignment of the platelets could be pushed up to 50 vol-%. In parallel, in situ recrystallization of CaP blocks in hydrothermal conditions led to hierarchical structures. The strength and the work-of-fracture were enhanced (300%) thanks to a change of failure mode.:Acknowledgements v Summary vii Background vii Thesis outline viii Part I: “Brick-and-mortar” structures with discrete reinforcement components ix Part II: “Textured” structures with continuous reinforcement components x Zusammenfassung xi Hintergrund xi Doktorarbeit Gliederung xii Teil I: “Ziegelmauer-Architektur” mit diskreten Verstärkungskomponenten xiii Teil II: “ Texturierte” Strukturen mit kontinuierlichen Verstärkungskomponenten xiv Chapter 1: General introduction 1 Bone grafting 1 CaP ceramics 1 How to improve toughness of CaP ceramics? 2 Importance of structure design: bio-inspiration 2 What mechanical properties should be reached? 5 Specific aims 5 Two general approaches to reach the goal 6 Nacre-inspired “brick-and mortar” structures (Part I) 6 Textured ceramic monoliths (Part II) 6 References 7 Chapter 2: Theoretical calculations 11 Introduction 12 Theoretical tensile strength of β-TCP platelets and critical size for flaw tolerance 13 Optimal aspect ratio 15 Composite strength and stiffness 17 Limitations 19 References 19 PART I: NACRE-INSPIRED “BRICK-AND-MORTAR” STRUCTURES Chapter 3: Synthesis of sub-micrometer calcium phosphate platelets 23 Introduction 24 ii Materials and Methods 25 Precipitation method 25 Reaction parameters 25 Characterization 26 Statistical analysis of results 28 Results 28 Reproducibility of standard experiments 28 Increase of the reagent volume to increase the productivity 30 Increase of the precursors concentration to increase the productivity and modify the particles 30 Increase of titration rate to simplify the process 32 Influence of temperature on the particles 35 Effect of the pH value on the particles 37 Effect of a longer reaction time on the particle stability 40 Study of the influence of variations of the Ca/P molar ratio 42 Discussion 43 Reproducibility 43 Productivity 44 CaP crystal shape 45 Crystal purity 47 Aspect ratio 48 Critical thickness 49 Uniformity of primary particles 50 Non agglomerated 51 General points 52 Conclusions 52 References 53 Chapter 4: Kinetics study of the calcium phosphate platelets growth 57 Introduction 58 Theory 58 Materials and methods 60 Materials and sample preparation 60 Characterization methods 61 Results 62 Visual observations during manipulations 62 SEM observations 62 XRD results 66 Size measurements 68 Kinetics calculations 70 Discussion 74 Nucleation and assembly mechanism 74 Reaction kinetics 76 Control of size and aspect ratio 76 Conclusions 77 References 78 Chapter 5: Structural design of bio-inspired composites by solvent casting 81 Foreword 82 Introduction 82 Experimental section 84 iii Synthesis of resorbable ceramic platelets 84 Solvent casting to prove the reinforcement efficiency of DCP platelets 84 Magnetization of the platelets 85 Maintaining the orientation during drying of an hydrogel matrix 86 Results 87 Synthesis of resorbable ceramic platelets 87 Solvent casting to prove the reinforcement efficiency of CaP platelets 87 Magnetization of the platelets 91 Maintaining the orientation during drying of an hydrogel matrix 93 Discussion 95 Detrimental effect of β-TCP platelets in chitosan 95 Efficient reinforcement with DCP platelets up to a given volume fraction 96 Threshold value for strength improvement 97 Fitting the experimental results with theoretical equations 98 Conclusions 101 References 101 Chapter 6: Biodegradable, strong and tough nacre-inspired structures obtained by freezecasting 105 Introduction 106 Experimental section 108 Synthesis of resorbable ceramic platelets 108 Preliminary freeze-casting tests with β-TCP-based slurries 108 Determination of adequate freeze-casting parameters for hydrogels-CaP slurries 108 Integration of CaP platelets and local planar alignment 109 Attempts to globally align porosity in two directions 109 Densification and consolidation 110 Tensile testing 110 Results 111 Preliminary freeze-casting tests with β-TCP-based slurries 111 Determination of adequate freeze-casting parameters for hydrogels-CaP slurries 112 Integration of CaP platelets and local planar alignment 113 Attempts to globally align porosity in two directions 119 Densification and consolidation 121 Tensile testing 121 Discussion 122 Conclusions 124 References 125 PART II: TEXTURED CERAMIC MONOLITHS Chapter 7: Micro-texturing by recrystallization of calcium phosphate blocks in hydrothermal conditions 127 Introduction 128 Materials and Methods 130 Samples characterization 132 Results 133 Macroscopic observations 133 Microstructural changes (SEM) 133 Crystalline phase conversion (XRD) 139 iv Mechanical properties 142 Fractured surfaces 142 Discussion 145 Conclusions 150 References 150 Chapter 8: Toughening of textured calcium phosphate blocks by polymer impregnation 155 Foreword 156 Introduction 156 Materials and Methods 157 Samples preparation 157 Characterization 158 Results 158 Porosity and microstructure 158 Composition 161 Mechanical properties 161 Discussion 162 Conclusions 164 References 164 Chapter 9: Synthesis and outlook 167 Curriculum Vitae 171