Ce travail porte sur la mise au point, le développement et l’étude de la dégradation et de la biocompatibilité d’un nouveau ciment phosphocalcique modifié par ajout de strontium. Un ciment composite formé par l’insertion de microsphère de PLAGA a aussi été développé. Ces ciments ont un intérêt thérapeutique en orthopédie et en chirurgie maxillo-faciale pour le comblement ou le renforcement osseux. Les caractéristiques mécaniques, rhéologiques et radiologiques du ciment et du composite ont été évaluées et optimisées pour rendre leurs formulations à la fois résistantes, injectables et radio-opaque. Un travail de développement à été mené pour répondre au mieux au cahier des charges clinique de ce type de substitut osseux. La chimie de la réaction au sein du ciment à été étudiée pour connaître les mécanismes réactionnels, l’évolution et le produit final de la réaction de prise. Des tests in vitro sur la dégradation par dissolution passive des constituants du ciment et du composite ont été réalisés ainsi que l’étude de la biocompatibilité sur des cultures cellulaires. Des expérimentations animales sur la peau de souris et sur le tibia de lapin ont permis de confirmer la biocompatibilité du ciment et du composite et de donner une première évaluation de sa résorption et de son remplacement par du tissu osseux néo formé. / The aim of this thesis is to design and develop a new calcium phosphate cement modified by addition of strontium and a composite cement formed by the insertion of PLAGA microspheres.These cements have a therapeutic interest in orthopaedic and maxillofacial surgery for bone filling or reinforcement.The mechanical, rheological and radiological properties of cement and composite were evaluated and optimized to improve their mechanical strength, injectability and radio-opacity. Development works were conducted to meet clinical specifications required for this type of bone substitute.The cement chemistry was studied to determine the reaction mechanisms, evolution and the final product of the setting reaction. In vitro tests on the degradation of cement components and composites were performed and the biocompatibility was studied by cell cultures.Animal experiments on mouse skin and rabbit tibia have confirmed the biocompatibility of these cements and provide a preliminary assessment of its resorption and replacement by newly formed bone tissue.

Avec plus de 2 millions d’interventions chirurgicales par an dans le monde, les actes de chirurgie osseuse sont les plus fréquents, ce qui pousse les entreprises du secteur des biomatériaux pour la régénération osseuse à investir massivement pour sans cesse améliorer leurs produits. Cette thèse est issue d’un contrat CIFRE effectué avec l’entreprise Kasios afin de l’aider dans le développement de céramiques et polymères poreux principalement pour des applications en chirurgie maxillo-faciale. Les travaux réalisés s’articulent autour du développement de biomatériaux biphasiques à base de phosphate tricalcique béta (β-TCP). En premier lieu, des microfibres de polycaprolactone (PCL) incorporant des particules élémentaires de β-TCP ont été fabriquées par électrospinning. Les principales applications des fibres concernent la régénération osseuse guidée pour la préservation alvéolaire ou les opérations de relevés de sinus. L’électrospinning des fibres a utilisé des solvants ne présentant pas de toxicité aiguë. Les fibres ont formé des membranes manipulables qui peuvent être facilement découpées et suturées même en environnement humide. Les études in vitro n’ont révélé aucune cytotoxicité et les membranes ont permis la prolifération de cellules ostéoblastiques. La seconde étude a permis la fabrication d’éponges de gélatine et d’acide hyaluronique saturées ou recouvertes en surface de granules de β-TCP pour le comblement alvéolaire. Les éponges étaient facilement façonnables pour correspondre à l’alvéole du patient. Le chirurgien pourrait alors bénéficier de la nature biphasique du dispositif médical afin de faciliter l’implantation et éviter la manipulation séparée des éponges et des granules. L’utilisation des éponges permettrait par ailleurs d’assurer un positionnement idéal des granules pour la cicatrisation alvéolaire. La troisième étude, plus fondamentale, porte sur l’interaction des cellules osseuses avec le β-TCP et sa résorption. Des études de biomécanique et de biodégradation ainsi que de biodissolution ont également été réalisées sur des biomatériaux produits par l’entreprise. / With more than 2 million surgeries per year, bone tissue is one of the most concerned tissues and biomaterial companies have developed massive investments to continually improve bone regeneration.This thesis was conducted during a CIFRE contract (a tripartite contract linking a student, a university and acompany) and was done in association with the company Kasios for the development of new porous polymers and ceramics. This thesis was specifically centered in the development of biphasic biomaterials based upon beta tricalcium phosphate (β-TCP). First, polycaprolacton (PCL) microfibers incorporating β-TCP elementary particles were produced using electrospinning. These fibers were developed to provide membranes for guided bone regeneration usable in alveolar preservation and sinus lifting. Electrospinning of the fibers did not require any high toxicity solvent. Our fibers formed membranes that could easily be handled, cut and sutured in dry and wet environment. In vitrocytotoxicity studies confirmed the non-toxic nature of the material and showed the ability of the membranes to encourage survival and proliferation of osteoblastic cells. Secondly, freeze-dried gelatin and hyaluronicacid sponges saturated or embedded with β-TCP granules were developed for alveolar filling. Theses ponges could easily be shaped to fit the patient’s dental socket. The biphasic nature of the sponges could make the implantation easier and faster by avoiding surgeons to handle separately the granules and the sponges. This medical device could also insure a correct and optimal positioning of the granules for the patient healing. Lastly, a fundamental study was conducted on resorption of β-TCP and the interaction between bone cells and the biomaterial. Biomechanical and biodegradation/biodissolution studies were also done on different types of biomaterials produced by the company.

L’architecture des biomatériaux de comblement osseux à un réel impact sur l’activité cellulaire, la vascularisation et la diffusion de facteurs de croissance. Dans un premier temps, différentes membranes de polystyrène (PS) composées de fibres alignées ou aléatoires ont été étudiées. Elles sont non biodégradables et pourraient servir de supports pour la régénération de larges défauts osseux. Nous avons montré la cytocompatibilité in vitro des membranes en analysant l’adhésion, la prolifération et la différenciation cellulaire. Ensuite, des membranes de PS ont été enrichies de grains de β-TCP ou de nanoparticules d’or. Nous les avons implantées dans un modèle de défaut crânien de taille critique chez la souris. L’addition de β-TCP a stimulé la repousse osseuse grâce à la grande bioactivité des céramiques. Les membranes ont été biotolérées, les fibres ont été encapsulées dans l’os néoformé mais également dans un tissu conjonctif dense. Les nanoparticules d’or immobilisées sur des fibres ont migré dans l’os ou ont été phagocytées. Dans un second temps, différentes formulations de granules poreux de β-TCP ont été analysées par nanotomographie aux rayons X. L’architecture macroporeuse des granules varie inversement avec la concentration en β-TCP. Les faces internes montrent une grande hétérogénéité de minéralisation. Pour mimer les conditions d’utilisation en chirurgie maxillo-faciale, les granules ont été empilés dans des tubes. Nous avons montré que l’architecture des empilements de granules dépendait de leur forme. L’empilement de granules commerciaux (contenant12,5g de β-TCP) mime l’architecture naturelle et les propriétés physiques de l’os. / The architecture of bone filling biomaterials has a real impact on cellular activity, vascularization and diffusion of growth factors. As a first step, different polystyrene (PS) scaffolds composed of aligned or random fibers were studied. They were non-biodegradable and could be used as supports for regeneration of large bone defects. We showed the in vitro cytocompatibility of the scaffolds by analyzing cell adhesion, proliferation and differentiation. Then, polystyrene scaffolds were enriched with β-TCP grains or gold nanoparticles. We implanted them in a model of critical size defect in mouse calvaria. Addition of β-TCP stimulated bone regrowth due to the high bioactivity of the ceramics. Scaffolds were biotolerated, fibers were encapsulated in the newly formed bone and also in a dense connective tissue. The gold nanoparticles immobilized on fibers migrated into the bone or were phagocytized. As a second step, different formulations of porous granules of β-TCP were analyzed by X-ray nanotomography. The macroporous architecture of granules varies inversely with the concentration of β-TCP. The internal faces howed a great heterogeneity of mineralization. Tomimic the conditions in maxillofacial surgery, granules were stacked in tubes. We have shown that the architecture of the granules depends on their shape.The stacks of commercial granules (containing 12.5 g ofβ-TCP) mimicked the natural architecture and physical properties of bone.