Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2023

Thèse en cotutelle, Université Laval, Québec, Canada et Politecnico di Milano, Milano, Italie. / L'athérosclérose est une des maladies cardiovasculaires les plus récurrentes dans le monde, consistant dans l'obstruction d'une artère par des dépôts fibreux. Un des traitements les plus utilisés consiste dans l'implantation d'un stent, une mèche métallique tubulaire, afin de rouvrir l'artère et restaurer le flux sanguin. Un stent est normalement conçu pour rester dans le patient pour toute sa vie, mais des réactions inflammatoires peuvent se manifester à long terme. Pour cette raison, et pour pouvoir aussi traiter des jeunes patients, des stents biodégradables ont été pensés. Parmi eux, un dispositif à base de magnésium a reçu l'approbation à la commercialisation dans l'Union Européenne en 2016. Bien que ce dispositif se soit démontré sécuritaire dans des essais cliniques, sa taille est beaucoup plus grande que celle des stents permanents communément utilisés à cause des faibles propriétés mécaniques de la matrice. Une famille de matériaux avec des excellentes propriétés mécaniques et un bon potentiel de dégradation sont les aciers à plasticité induite par maclage, composés de fer, manganèse et carbone. En revanche, leur applicabilité clinique n'est pas actuellement possible car leur dégradation est entravée par la formation d'une couche de produits de dégradation pendant ce processus. Ce travail propose d'ajouter une petite quantité d'argent à un acier composé de fer, manganèse et carbone pour accélérer le processus de dégradation sans réduire ses propriétés mécaniques. Les travaux de cette thèse ont porté sur le développement de ces alliages, leur validation métallurgique et l'étude de leur dégradation. Ces études ont montré que l'ajout d'argent n'a pas affecté significativement les propriétés mécaniques de l'alliage de base. Au contraire, il a été observé que cet ajout a modifié la structure de l'alliage sous une déformation plastique et sa capacité de récupérer la structure initiale après une telle déformation. Au niveau de la dégradation, la présence d'argent n'a pas permis d'accélérer ce processus, étant efficace seulement dans les premiers jours. En opposition, l'évolution du mécanisme de dégradation jusqu'à six mois détecté dans cette thèse est très proche du comportement observé dans des tests sur des animaux conduits par d'autres chercheurs. En conclusion, bien que la stratégie retenue ne se soit pas révélée efficace pour atteindre l'objectif ciblé, les avancées dans la compréhension du mécanisme de dégradation et de la mise en forme des aciers à plasticité induite par maclage pour des stents vasculaires peuvent permettre le développement d'autres stratégies efficaces à long terme pour permettre à ces alliages de se dégrader dans le corps humain. / Atherosclerosis is one of the most recurring diseases in the world, consisting in obstruction of an artery by fibrous deposits. One of the most used treatments consists in implanting a stent, a tubular metallic mesh, for reopening the artery and restoring blood flow. A stent is normally designed to remain in the patient for all his life, but inflammatory reactions may occur at long terms. Because of this, and also for treating young patients, biodegradable stents were designed. Among them, a magnesium-based device received approval for commercialization in the European Union in 2016. Although this device proved safe in clinical trials, its size is much larger than permanent stents. This is due to the low mechanical properties of the matrix. A family of materials with excellent mechanical properties and a good degradation potential are twinning-induced plasticity steels, made of iron, manganese and carbon. On the other hand, their clinical applicability is currently not possible since their degradation is hindered by formation of a stable product layer during this process. This work proposes to add a small quantity of silver to a steel made of iron, manganese and carbon to accelerate the degradation process without reducing its mechanical properties. The works in this thesis dealt with development of such alloys, their metallurgical validation and the study of their degradation. These studies showed that the addition of silver did not significantly affect mechanical properties of the base alloy. On the contrary, it was observed that this addition modified the alloy structure under plastic deformation and its capability to recover its initial structure after such a deformation. Concerning degradation, the presence of silver did not allow to accelerate this process, being effective only in the first days. In contrast, the evolution of degradation mechanism up to six months detected in this thesis is very close to the behavior observed in animal tests conducted by other researchers. In conclusion, although the retained strategy did not prove effective in attaining the targeted goal, the advances in the understanding of corrosion mechanism and processing of twinning-induced plasticity steels for vascular stents can foster the development of other strategies that are effective in the long term to allow these alloys to degrade in human patients. / L'aterosclerosi è una delle malattie cardiovascolari più diffuse nel mondo, e consiste nell'ostruzione di un'arteria da parte di depositi fibrosi. Uno dei trattamenti più utilizzati consiste nell'impiantazione di uno stent, una struttura metallica tubolare, per riaprire l'arteria e restaurare il flusso sanguigno. Uno stent è normalmente concepito per restare nel paziente per tutta la sua vita, ma delle reazioni infiammatorie possono avere luogo a lungo termine. Per questo motivo, e per poter inoltre trattare pazienti giovani, degli stent biodegradabili sono stati pensati. Tra loro, un dispositivo a base di magnesio ha ricevuto l'approvazione per la commercializzazione nell'Unione Europea nel 2016. Sebbene questo dispositivo si sia dimostrato sicuro in test clinici, le sue dimensioni sono molto più grandi di quelle degli stent permanenti comunemente usati nella pratica clinica a cause delle scarse proprietà meccaniche della matrice. Una famiglia di materiali con eccellenti proprietà meccaniche e un buon potenziale di degradazione sono gli acciai a plasticità indotta da geminazione, composti da ferro, manganese e carbonio. Per contro, la loro applicabilità clinica non è attualmente possibile poiché la loro degradazione è ostacolata dalla formazione di uno strato stabile di prodotti durante questo processo. Questo lavoro propone di aggiungere una piccola quantità d'argento a un acciaio composto da ferro, manganese e carbonio per accelerare il processo di degradazione senza ridurre le sue proprietà meccaniche. I lavori di questa tesi si sono concentrati sullo sviluppo di queste leghe, sulla loro validazione metallurgica e lo studio della loro degradazione. Questi studi hanno mostrato che l'aggiunta di argento non ha influenzato significativamente le proprietà meccaniche dell'acciaio di base. Al contrario, è stato osservato che quest'aggiunta ha modificato la struttura della lega durante una deformazione plastica, oltre alla sua capacità di recuperare la struttura iniziale dopo una tale deformazione. Riguardo la degradazione, la presenza d'argento non ha permesso di accelerare questo processo, essendo efficace soltanto nei primi giorni. Al contrario, l'evoluzione del meccanismo di degradazione fino a sei mesi rilevato in questa tesi è molto vicino a quanto osservato da altri ricercatori in test animali. In conclusione, sebbene la strategia utilizzata non si sia rivelata efficace per raggiungere l'obiettivo prefissato, i progressi nella comprensione del meccanismo di degradazione e della produzione degli acciai a plasticità indotta da geminazione per gli stent vascolari possono permettere lo sviluppo di altre strategie efficaci a lungo termine per permettere la degradazione di queste leghe nel corpo umano.

Les maladies cardiovasculaires sont responsables d'environ le tiers de tous les cas de décès au Canada. L'une des solutions utilisées pour résoudre ce problème consiste à utiliser un dispositif métallique constitué d'un maillage ayant une forme d’un filet et appelé stent. Les stents sont de petits dispositifs implantés dans des vaisseaux sanguins rétrécis pour rétablir la circulation sanguine et éviter une crise cardiaque ou un accident vasculaire cérébral et pour traiter les anévrismes du cerveau. Un contrôle précis de la surface de ces stents est nécessaire pour assurer la compatibilité de l'alliage choisi avec le milieu biologique dont il va être en contact avec. Les stents métalliques doivent satisfaire à des conditions précises définies en fonction de leur application finale. Ils doivent respecter des exigences strictes en termes de propriétés mécaniques, d'interaction électrochimique (corrosion) et de cytocompatibilité. Les alliages suivants sont traditionnellement utilisés dans les applications biomédicales et plus précisément pour les applications cardiovasculaires: l'alliage AISI316L est considéré comme une référence dans ce domaine, mais l'alliage L605, un alliage à base de Cobalt, prend de plus en plus d'importance grâce à ses propriétés mécaniques élevées (haute ductilité et haute résistance à la traction) et résistance élevée à la corrosion. L'utilisation d'alliages de titane est la nouvelle frontière pour les biomatériaux dans les applications cardiovasculaires, il est considéré comme un nouveau candidat potentiel pour les stents cardiovasculaires. Les alliages de titane présentent une combinaison unique de haute résistance et de grande ductilité (résistance à la traction et déformation uniforme supérieures à 1000 MPa et 30% respectivement). L’électropolissage est une étape de prétraitement appliquée à ces alliages métalliques pour obtenir des surfaces chimiquement homogènes, recouvertes d'une couche d'oxyde uniforme et amorphe, généralement de rugosité très lisse. Ce processus permet non seulement de contrôler les propriétés physiques de la surface, mais également celles chimiques. Le processus d'électropolissage comporte certaines variables, telles que le courant, la tension, la solution électrolytique et la température de l'électrolyte. En les contrôlant, il est possible de comprendre et d'améliorer les propriétés de la surface. Le but de ce projet est d’étudier les effets des différents variables d’électropolissage (courant, tension, solution électrolytique) sur les caractéristiques / propriétés de surface (morphologie, composition chimique et mouillabilité) des alliages utilisés pour la fabrication de stents. / Cardiovascular diseases (CVD) are responsible for about one-third of all death cases in Canada. One of the solutions used to solve this problem is using a metallic device made of a mesh and called a stent. Stents are small devices that are implanted in narrowed blood vessels to restore blood flow and to avoid a heart attack or stroke and to treat brain aneurysms. An accurate surface control is needed to assure the cytocompatibility of the chosen alloy with its biologic environment. Metallic stents must satisfy precise conditions defined according to their final application. They need to respect strict requirements, in terms of mechanical properties, electrochemical interaction (corrosion) and cytocompatibility. The following alloys are traditionally used in biomedical applications and more precisely for cardiovascular applications: the alloy AISI316L is considered a reference in this field, but the alloy L605, a Co-based material, is gaining more and more importance, due to its high mechanical properties (high ductility and high ultimate tensile strength) and high corrosion resistance. The use of Titanium alloys is the new frontier for biomaterials in cardiovascular applications, it is considered as a new potential candidate for cardiovascular stents. Titanium alloys, shows a unique combination of high strength and high ductility (ultimate tensile strength and uniform deformation higher than 1000 MPa and 30%, respectively). Electropolishing is a pre-treatment step applied to these alloys to obtain chemically homogeneous surfaces, covered with a uniform and amorphous oxide layer, generally with a very smooth roughness. This process not only makes it possible to control the physical properties of the surface, but also the chemical ones. The electropolishing process has some changeable variables, such as current, voltage, electrolytic solution and temperature of electrolyte. By controlling them, it is possible to understand and improve the surface properties. This work is aimed at studying the effects of electropolishing changeable variables (current, voltage, electrolytic solution) on surface characteristics/properties (morphology, chemical composition and wettability) of those alloys used for the manufacture of stents.

Les maladies cardiovasculaires sont responsables d'environ le tiers de tous les cas de décès au Canada. L'une des solutions utilisées pour résoudre ce problème consiste à utiliser un dispositif métallique constitué d'un maillage ayant une forme d’un filet et appelé stent. Les stents sont de petits dispositifs implantés dans des vaisseaux sanguins rétrécis pour rétablir la circulation sanguine et éviter une crise cardiaque ou un accident vasculaire cérébral et pour traiter les anévrismes du cerveau. Un contrôle précis de la surface de ces stents est nécessaire pour assurer la compatibilité de l'alliage choisi avec le milieu biologique dont il va être en contact avec. Les stents métalliques doivent satisfaire à des conditions précises définies en fonction de leur application finale. Ils doivent respecter des exigences strictes en termes de propriétés mécaniques, d'interaction électrochimique (corrosion) et de cytocompatibilité. Les alliages suivants sont traditionnellement utilisés dans les applications biomédicales et plus précisément pour les applications cardiovasculaires: l'alliage AISI316L est considéré comme une référence dans ce domaine, mais l'alliage L605, un alliage à base de Cobalt, prend de plus en plus d'importance grâce à ses propriétés mécaniques élevées (haute ductilité et haute résistance à la traction) et résistance élevée à la corrosion. L'utilisation d'alliages de titane est la nouvelle frontière pour les biomatériaux dans les applications cardiovasculaires, il est considéré comme un nouveau candidat potentiel pour les stents cardiovasculaires. Les alliages de titane présentent une combinaison unique de haute résistance et de grande ductilité (résistance à la traction et déformation uniforme supérieures à 1000 MPa et 30% respectivement). L’électropolissage est une étape de prétraitement appliquée à ces alliages métalliques pour obtenir des surfaces chimiquement homogènes, recouvertes d'une couche d'oxyde uniforme et amorphe, généralement de rugosité très lisse. Ce processus permet non seulement de contrôler les propriétés physiques de la surface, mais également celles chimiques. Le processus d'électropolissage comporte certaines variables, telles que le courant, la tension, la solution électrolytique et la température de l'électrolyte. En les contrôlant, il est possible de comprendre et d'améliorer les propriétés de la surface. Le but de ce projet est d’étudier les effets des différents variables d’électropolissage (courant, tension, solution électrolytique) sur les caractéristiques / propriétés de surface (morphologie, composition chimique et mouillabilité) des alliages utilisés pour la fabrication de stents. / Cardiovascular diseases (CVD) are responsible for about one-third of all death cases in Canada. One of the solutions used to solve this problem is using a metallic device made of a mesh and called a stent. Stents are small devices that are implanted in narrowed blood vessels to restore blood flow and to avoid a heart attack or stroke and to treat brain aneurysms. An accurate surface control is needed to assure the cytocompatibility of the chosen alloy with its biologic environment. Metallic stents must satisfy precise conditions defined according to their final application. They need to respect strict requirements, in terms of mechanical properties, electrochemical interaction (corrosion) and cytocompatibility. The following alloys are traditionally used in biomedical applications and more precisely for cardiovascular applications: the alloy AISI316L is considered a reference in this field, but the alloy L605, a Co-based material, is gaining more and more importance, due to its high mechanical properties (high ductility and high ultimate tensile strength) and high corrosion resistance. The use of Titanium alloys is the new frontier for biomaterials in cardiovascular applications, it is considered as a new potential candidate for cardiovascular stents. Titanium alloys, shows a unique combination of high strength and high ductility (ultimate tensile strength and uniform deformation higher than 1000 MPa and 30%, respectively). Electropolishing is a pre-treatment step applied to these alloys to obtain chemically homogeneous surfaces, covered with a uniform and amorphous oxide layer, generally with a very smooth roughness. This process not only makes it possible to control the physical properties of the surface, but also the chemical ones. The electropolishing process has some changeable variables, such as current, voltage, electrolytic solution and temperature of electrolyte. By controlling them, it is possible to understand and improve the surface properties. This work is aimed at studying the effects of electropolishing changeable variables (current, voltage, electrolytic solution) on surface characteristics/properties (morphology, chemical composition and wettability) of those alloys used for the manufacture of stents.

L’ingénierie des biomatériaux a connu un essor prodigieux ces dernières décennies passant de matériaux simples à des structures plus complexes, particulièrement dans le domaine cardiovasculaire. Cette évolution découle de la nécessité des biomatériaux de permettre la synergie de différentes propriétés, dépendantes de leurs fonctions, qui ne sont pas forcément toutes compatibles. Historiquement, les premiers matériaux utilisés dans la conception de dispositifs médicaux étaient ceux présentant le meilleur compromis entre les propriétés physico-chimiques, mécaniques et biologiques que nécessitait leur application. Cependant, il se peut qu’un tel dispositif possède les bonnes propriétés physico-chimiques ou mécaniques, mais que sa biocompatibilité soit insuffisante induisant ainsi des complications cliniques. Afin d’améliorer ces propriétés biologiques tout en conservant les propriétés de volume du matériau, une solution est d’en modifier la surface. L’utilisation d’un revêtement permet alors de moduler la réponse biologique à l’interface biomatériau-hôte et de diminuer les effets indésirables. Ces revêtements sont optimisés selon deux critères principaux : la réponse biologique et la réponse mécanique. Pour la réponse biologique, les deux approches principales sont de mettre au point des revêtements proactifs qui engendrent l’adhérence, la prolifération ou la migration cellulaire, ou passifs, qui, principalement, sont inertes et empêchent l’adhérence de composés biologiques. Dans certains cas, il est intéressant de pouvoir favoriser certaines cellules et d’en limiter d’autres, par exemple pour lutter contre la resténose, principalement due à la prolifération incontrôlée de cellules musculaires lisses qui conduit à une nouvelle obstruction de l’artère, suite à la pose d’un stent. La recherche sur les revêtements de stents vise, alors, à limiter la prolifération de ces cellules tout en facilitant la ré-endothélialisation, c’est-à-dire en permettant l’adhérence et la prolifération de cellules endothéliales. Dans d’autres cas, il est intéressant d’obtenir des surfaces limitant toute adhérence cellulaire, comme pour l’utilisation de cathéter. Selon leur fonction, les cathéters doivent empêcher l’adhérence cellulaire, en particulier celle des bactéries provoquant des infections, et être hémocompatibles, principalement dans le domaine vasculaire. Il a été démontré lors d’études précédentes qu’un copolymère à base de dextrane et de poly(méthacrylate de butyle) (PBMA) répondait aux problématiques liées à la resténose et qu’il possédait, de plus, une bonne élasticité, propriété mécanique importante due à la déformation que subit le stent lors de son déploiement. L’approche de ce projet était d’utiliser ce copolymère comme revêtement de stents et d’en améliorer l’adhérence à la surface en formant des liens covalents avec la surface. Pour ce faire, cela nécessitait l’activation de la partie dextrane du copolymère afin de pouvoir le greffer à la surface aminée. Il était important de vérifier pour chaque étape l’influence des modifications effectuées sur les propriétés biologiques et mécaniques des matériaux obtenus, mais aussi d’un point de vue de la chimie, l’influence que cette modification pouvait induire sur la réaction de copolymérisation. Dans un premier temps, seul le dextrane est considéré et est modifié par oxydation et carboxyméthylation puis greffé à des surfaces fluorocarbonées aminées. L’analyse physico-chimique des polymères de dextrane modifiés et de leur greffage permet de choisir une voie de modification préférentielle qui n’empêchera pas ultérieurement la copolymérisation. La carboxyméthylation permet ainsi d’obtenir un meilleur recouvrement de la surface tout en conservant la structure polysaccharidique du dextrane. Le greffage du dextrane carboxyméthylé (CMD) est ensuite optimisé selon différents degrés de modification, tenant compte aussi de l’influence que ces modifications peuvent induire sur les propriétés biologiques. Finalement, les CMD précédemment étudiés, avec des propriétés biologiques définies, sont copolymérisés avec des monomères de méthacrylate de butyle (BMA). Les copolymères ainsi obtenus ont été ensuite caractérisés par des analyses physico-chimiques, biologiques et mécaniques. Des essais préliminaires ont montrés que les films de copolymères étaient anti-adhérents vis-à-vis des cellules, ce qui a permis de trouver de nouvelles applications au projet. Les propriétés élastiques et anti-adhérentes présentées par les films de copolymères CMD-co-PBMA, les rendent particulièrement intéressants pour des applications comme revêtements de cathéters. / The last decades have witnessed the remarkable growth of biomaterial science and engineering field, especially for cardiovascular applications, for which devices have evolved from simple material to complex structures. This development has stemmed from the necessity for biomaterials to exhibit different properties, related to their function, which are not always inherently compatible. Historically, the first materials selected for medical devices conception were the ones exhibiting the best compromise between all the physicochemical, mechanical and biological requirements. Nevertheless, while physicochemical and mechanical properties are often handily combined, the development of materials which also possess suitable biological properties have proved to be much more challenging, leading to clinical complications. Surface modification represents a valid solution to improve the biological performances of medical devices while maintaining the bulk properties of the material. Biomaterial coatings may modulate the biological response at the biomaterial-host interface and decreases the undesirable effects. Coatings have been optimized in regards to two main aspects: the biological response and the mechanical response. For the biological response, the two main approaches consist in 1) inducing cell adhesion, proliferation or migration with pro-active coatings and 2) using inert material, mostly, and avoiding the adhesion of any biological components with passive coatings. In certain cases, it is interesting to be able to favor particular cells and to limit others, for example to avoid restenosis, which is mostly due to the uncontrolled proliferation of smooth muscle cells leading to the re-obstruction of the artery, after stent implantation. So, researchers’ aim are stent coatings capable of limiting this cell proliferation along with facilitating the re-endothelialization, which means allowing the adhesion and the proliferation of endothelial cells. In other cases, it is interesting to obtain surfaces limiting any cell adhesion, as for catheter use. Depending on their function, catheters should be able to avoid cell adhesion, in particular bacteria adhesion that leads to infections, and to be hemocompatible, particularly in the vascular field. Previous studies showed that a copolymer made of dextran and poly(butyl methacrylate) (PBMA) demonstrated such biological properties and a good resistance to deformation, which is an important parameter related to the deformation implied in a stent implantation. In this project, the approach was to use this copolymer as a stent coating and to increase its adhesion to surface by providing covalent bonds with the surface. To do so, the dextran part of the copolymer firstly needed to be activated in order to be grafted to the surface. Thus, it was important to ascertain the influence of the multiple modifications on the biological and mechanical properties of the resulting materials at each step, but also towards a chemical point of view, the influence that these modifications may have on the subsequent copolymerization. Firstly, only dextran has been considered and was modified by oxidation and carboxymethylation reactions and grafted to fluorocarbon surfaces. Physicochemical analyses were used to validate a way of dextran modification which allowed the grafting without hindering the subsequent copolymerization. The modification by carboxymethylation led to a better surface coverage and kept the polysaccharide’s structure. Then, the grafting of carboxymethyl dextran (CMD) was optimized according to different degrees of modification, also considering the influence these modifications could have on biological properties. Finally, the previous studied CMD, with defined biological properties, were copolymerized with butyl methacrylate monomers (BMA). The resulting copolymers were then characterized by physicochemical, biological and mechanical analyses. Preliminary results showed that copolymers films were anti-adhesive to cells, which allowed to find new applications to the project. Elastic and anti-adhesive properties of the CMD-co-PBMA copolymers films, make them particularly interesting for catheter coatings application.

Les métaux biodégradables (MBs) ont été développés pour des applications spécifiques dans les domaines de l’orthopédie, la pédiatrie et le système cardiovasculaire. Les MBs sont conçus pour servir de support temporaire et une fois que leur présence n’est plus nécessaire, ils devront disparaitre progressivement grâce au processus de corrosion. Ces dernières décennies, divers tests aussi bien in vitro que in vivo ont été effectués dans le but de comprendre le comportement à la corrosion des biomatériaux métalliques conçus pour être résistants à la corrosion. Les MBs forment une classe de matériaux relativement nouveau et donc rares sont les tests effectués dans le domaine. Les tests effectués pour améliorer la résistance à la corrosion des biomatériaux métalliques ne peuvent pas non plus être simplement transposés aux MBs. Dans certains cas, ils peuvent être adaptés avec quelques modifications tandis que dans d’autres, la dégradation progressive devra être prise en compte pour la conception et à la mise au point de tests spécifiques. Le défi actuel est de savoir comment évaluer la réaction des tissus environnants et des organes en présence des produits de dégradation. Dans le cadre de ce projet, nous avons exploré une nouvelle méthode qui permet d’établir le profil d’expression des gènes (PEG) des cellules fibroblastique 3T3 de souris exposées à l’alliage Fe-35Mn. Cet alliage de fer récemment développé comme matériau métallique dégradable a été utilisé dans le cadre de cette expérience pour mieux comprendre le comportement des cellules face à des MBs potentiellement cytotoxiques. En résumé, les cellules 3T3 ont étés exposées pendant 24h aux élutions de produits de dégradation à travers un filtre de culture cellulaire contenant des quantités cytostatiques de 3.25mg/ml pour Fe-35Mn en poudre, 0.25mg/ml de poudre de Mn pur ou 5mg/ml de poudre de fer pur. Le profil de l’expression des gènes a été établi pour ces cellules. En comparant l’expression du profil des gènes des cellules fibroblastes 3T3 en présence de Fe-35Mn et Mn, nous avons observé que l’expression de 68 gènes avait été augmentée et l’expression de 54 gènes abaissée. Nous avons testé chez 11 gènes modulés dans les « microarrays » si cette régulation était toujours présente en utilisant le RT-PCR quantitative. C’était le cas pour 10 d’entre eux. Nous avons constaté que la caveoline-1 (cav1), une protéine structurale de caveoles (invaginations lisses de la membrane plasmique), est l’un des gènes les plus régulés de notre GEPs. Nous avons par ailleurs étudié le potentiel d’utiliser cette protéine de 22KDa comme biomarqueur pour l’étude de la cytotoxicité lors de l’exposition aux MBs. Dans le but de mieux caractériser l’expression de la cav1 dans ce contexte, les cellules 3T3 ont étés exposés soit aux ions fer ou manganèse à des concentrations cytostatiques pendant 24h et 48h. L’expression de la cav1 n’a pas été influencée par l’exposition aux ions fer. Par contre l’exposition aux ions manganèse réduit l’expression des gènes de cav1 de 30% pendant 24h et de plus de 65% pendant 48h comparée au control. La contenu en protéin de la cav1 a également été réduit de façon semblable Le même phénomène a été observé pour la cav3 (le sous-type musculaire de la caveoline) dans cette étude. Cette tendance forte et reproductible de la régulation des cavéolines permet ainsi de le considérer comme un biomarqueur potentiel pour les MBs. Ce type de réponse de la caveoline à l’exposition des MBs est similaire chez les cellules endothéliales, fibroblastes et musculaires. / Biodegradable metals (BMs) have been introduced and proposed for some specific applications including cardiovascular applications. BMs are expected to undergo ‘auto-withdrawal’ through corrosion process after fulfilling structural support. In the past decades, a wide and complete set of in vitro and in vivo tests have been proposed and investigated for the conventional corrosion resistant metallic biomaterials--but not for the BMs. The same tests that the ones developed for corrosion-resistant metals cannot be simply transposed. They can be adapted in some cases while in some others progressive degradation should inspire and lead to the design and the development of new specific tests. The current challenge is how to assess the tolerance of surrounding tissues to the presence of degradation products. In this doctoral project, a new method to investigate BMs was explored by establishing the gene expression profile (GEP) of mouse 3T3 fibroblasts exposed to Fe-35Mn, recently developed iron-based alloy, in order to better understand cell response to potentially cytotoxic BMs. Briefly, 3T3 cells were exposed to degradation products eluting through tissue culture insert filter containing cytostatic amounts of 3.25 mg/ml of Fe-35Mn powder, 0,25 mg/ml of pure Mn powder or 5 mg/ml of pure iron powder for 24 hours. GEP was then conducted from these cells. When comparing the GEP of 3T3 fibroblasts in presence of Fe-35Mn and Mn, 68 up-regulated and 54 down-regulated genes were common. These results were confirmed by quantitative RT-PCR for a subset of these genes. It was found that caveolin-1 (cav1), the structural protein of caveolae little plasma membrane smooth invaginations present in various differentiated cell types, was one of the most down-regulated genes in our GEPs. We further studied the potential of this 22kDa protein to become a biomarker for cytotoxicity towards the exposure of BMs. In order to better characterize cav1 expression in this context, 3T3 mouse fibroblasts were exposed to either ferrous and manganese ions at a cytostatic concentrations for 24 or 48 hours. Cav1 gene expression was not influenced by exposition to ferrous ions. On the other hand, manganese exposure for 24 hours reduced cav1 gene expression by about 30% and > 65% at 48 hours compared to control 3T3 cells. Cav1 cellular protein content was also reduced to the same extent. The same pattern of expression for cav3 (the muscle specific caveolin subtype) was also observed in the study. This strong and reproducible pattern of regulation of caveolins thus exhibits a potential as a biomarker for the toxicity of BMs.

Ce projet de doctorat a permis pour la première fois de concevoir, réaliser et étudier le potentiel des matériaux métalliques biodégradables. En effet, le fer pur et les alliages de magnésium avaient été évalué entre 2001 et 2003 quant à la possibilité de devenir des biomatériaux dégradables. Ces travaux ont cependant montré que les propriétés mécaniques et du comportement en dégradation de ces alliages devaient être améliorées pour répondre aux besoins cliniques. Dans cette perspective, une série de nouveaux alliages du système Fe–Mn ont été élaborés et étudiés. L'objectif est d'obtenir des propriétés physiques et mécaniques similaires à celles de l'acier inoxydable 316L (SS316L) et un comportement à la dégradation mieux adapté à l’environnement physiologique humain que le fer pur et les alliages de magnésium. Quatre alliages de fer contenant 20 à 35% de manganèse ont été préparés par les techniques de la métallurgie des poudres, puis par la suite ils ont subi plusieurs cycles de laminage à froid et de frittage. Les résultats de ces travaux ont montré que la microstructure des alliages Fe–Mn est principalement composée d’une phase austénitique et de traces de phases martensitiques chez les alliages contenant moins de manganèse. Les alliages sont non–ferromagnétiques, leur susceptibilité magnétique étant inférieure à celle du SS316L. Contrairement au SS316L, cette susceptibilité magnétique demeure constante après écrouissage. Les propriétés mécaniques des alliages Fe–Mn approchent celles du SS316L. Leur limite d'élasticité diminue de 420 à 210 MPa et leur allongement à la rupture augmente de 5 à 32% quand la teneur en manganèse augmente de 20 à 35%. Pendant un essai in vitro, les alliages se dégradent par corrosion. Les produits de dégradation sont des couches d’hydroxydes de fer et de calcium/phosphore. Les taux de corrosion mesurés sont plus grands que celui du fer pur, mais plus faibles que celui de l’alliage de magnésium. Le relargage des ions de fer et de manganèse dans la solution est limité par les couches de produits de dégradation. Les essais de viabilité cellulaire ont montré que les alliages de Fe–Mn inhibent faiblement l’activité métabolique des fibroblastes. Tous ces éléments confirment le potentiel des alliages Fe–Mn pour la fabrication d’un biomatériau dégradable biocompatible. / This doctoral project permitted for the first time to design, develop and study metallic alloys as degradable biomaterials. Between 2001 and 2003, commercially pure iron and magnesium alloys were evaluated for their possibility to become degradable biomaterials. In those studies, it was found that their mechanical property and degradation behaviour were not clinically well suited. In this context, a series of Fe–Mn alloys was produced with the objective to obtain physical and mechanical properties similar to those of stainless steel 316L (SS316L) and degradation behaviour more suited in human physiological environment than pure iron and magnesium alloys. Four alloys with manganese content ranging between 20 and 35 wt% were prepared via a powder metallurgy route followed by a series of cold rolling and resintering cycles. Results showed that their microstructure was mainly composed of austenitic phase with the trace of martensitic phase in alloys having lower manganese content. This microstructure resulted into a nonmagnetic behaviour of the alloys with magnetic susceptibility lower than that of SS316L. In contrast to SS316L, this magnetic susceptibility remained constant after having plastic deformation. The alloys showed mechanical property approached to that of SS316L. As manganese content increased, the yield strength decreased from 420 to 210 MPa and the elongation increased from 5 to 32%. The alloys degraded in simulated coronary artery conditions by the mechanism of corrosion. Their average corrosion rate was faster than that of pure iron and slower than magnesium alloys. The degradation products constituted of iron hydroxides and calcium/phosphorus containing layers which adhered onto the substrate. The release of iron and manganese ions into the solution was limited by the insoluble degradation layer. The cell viability assays showed that the Fe–Mn alloys possess a low inhibition effect to fibroblast cells metabolic activities demonstrating their potentiality to be a biocompatible degradable biomaterial.

Les maladies cardiovasculaires (MCV) sont les principales responsables de décès dans le monde. L'athérosclérose est la forme la plus répandue de MCV, causée en partie et dans les cas extrêmes par l'occlusion des vaisseaux en raison du vieillissement ou des facteurs de risque. L’implantation d’un stent vasculaire est le traitement le plus efficace pour les traitements des artères sténosées, en fournissant un support mécanique pour rétablir la circulation sanguine. En considérant une période approximative d'un an pour la guérison des artères, les Métaux Biodégradables (MB) ont été proposés et développées pour la fabrication de stents. Ils sont censés se dissoudre complètement après un certain délai, offre un support mécanique temporaire, empêcher des complications à long terme. Présentant des propriétés mécaniques supérieures par rapport aux alliages à base de Mg et à base de Zn, les MB à base de Fe, en particulier les alliages binaires de Fe-Mn, sont parmi les candidats les plus appropriés pour la fabrication des stents cardiovasculaires. La fabrication des stents est un procédé multi-étape qui inclut l’extrusion, le coupe laser, des traitements thermiques, et des procédés de neutralisation, et un fini de surface. L'électrodéposition s'est déjà révélé être une méthode efficace pour la micro-fabrication telle que le stent en fer pur. Par conséquent, ce travail porte sur la conception et le développement d'un procédé d'électrodéposition pour la production d'alliages biodégradables binaires de Fe-Mn pour l'application de stents vasculaires. Dans ce projet, deux approches ont été étudiées. Dans la première, l'alliage binaire de Fe-Mn a été fabriqué par un processus d'interdiffusion entre des couches précédemment déposées de fer pur et de manganèse pur. Dans la deuxième, le co-dépôt d'alliage de Fe-Mn était visé par un dépôt simultané à partir du même électrolyte. Les deux approches aboutissent à un alliage binaire de fer et de manganèse, mais elles présentent certaines limites. Dans le premier, une couche de diffusion de quelques micromètres d'épaisseur s'est formée à leur interface, mais les surfaces extérieures ont été partiellement oxydées. Dans ce dernier, le manganèse a été déposé jusqu'à 7% en poids, mais la couche déposée souffre de faibles propriétés physiques. / Cardiovascular diseases (CVDs) are the leading reason for mortality in the world. Atherosclerosis is the most widespread form of CVD, partly caused in extreme cases by vessel occlusion because of aging or risk factors.Stenting is the most effective treatment for late atherosclerosis by providing mechanical support to re-open the arteries. It takes approximately one-year period for artery healing, so biodegradable metals (BMs) have been considered for stent manufacturing. They are supposed to dissolve completely after a specific time while providing temporary mechanical support, with imposing lower long-term complications. Showing superior mechanical properties compared to Mg-based and Zn-based alloys, Fe-based BMs, particularly binary Fe-Mn, are among the most suitable candidates for cardiovascular stents. The stent fabrication is a multi-step process that involves many steps, namely, extrusion, laser cutting, thermal treatment,neutralization processes, surface finishing. Electrodeposition has shown to be an efficient method for microfabrication, such as the pure iron stent.Therefore, this work deals with the development of an electrodeposition process for the production of binary Fe-Mn biodegradable alloys for vascular stent application. In this project, two different approaches for the development of the binary Fe-Mn alloy are explored. In the first, binary Fe-Mn alloy was approached through the interdiffusion process between the previously deposited layers of pure iron and pure manganese. In the second, however, the co-deposition of Fe-Mn alloy was aimed through simultaneous deposition from the same electrolyte. Both approaches result in binary iron and manganese alloy, but they showed some limitations. In the former, a diffusion layer of some micrometers thickness was formed at their interface, but exterior surfaces were partially oxidized. In the latter, manganese was co-deposited up to 7 wt. %, but the deposited layer suffers from low physical properties.

Les maladies cardio-vasculaires sont la principale cause de mortalité dans le monde. Parmi celles-ci, et une des plus importantes, se trouve l'athérosclérose. Cette maladie se traduit par la formation d'une plaque sur les parois artérielles réduisant alors le diamètre luminal. La plaque d'athérome entrave la circulation du sang et peut se compliquer par la formation d'un thrombus artérielle pouvant provoquer un infarctus du myocarde. Une intervention capable de rétablir le flux (recanalisation) est alors nécessaire. Dans le cas des artères coronaires, l'intervention coronaire est percutanée (ICP) et consiste à amener et déployer jusqu'au site malade, une endoprothèse, appelé aussi stent. Un stent est un petit treillis métallique tubulaire qui permet de rouvrir la lumière de l'artère et de rétablir la circulation sanguine. Il sert aussi de support à l'artère malade pour empêcher son affaissement. Cependant, après implantation, certaines complications sont induites, telle que la resténose intra-stent (ISR) qui se caractérise par la réduction de la lumière de l'artère, reconduisant les problèmes créés par la plaque d'athérome. Ce phénomène est essentiellement dû à une prolifération excessive des cellules musculaires lisses, et qui résulte d'une lésion de l'endothélium lors de l'implantation. Afin de limiter cette complication, la première approche a été de changer les matériaux utilisés pour ces endoprothèses. Les principaux alliages utilisés pour fabriquer des stents sont l'acier inoxydable, les alliages de nitinol et ceux de chrome cobalt, plus particulièrement le L605. Ce dernier, dû à ses propriétés mécaniques, permet la fabrication de dispositifs plus minces, donc moins de métaux présents dans le corps humain, et a démontré induire moins de complications cliniques. Néanmoins, malgré la diminution des complications par rapport aux autres alliages, les endoprothèses nues en L605 ne s'intègrent que peu ou pas du tout dans le tissu artériel de l'hôte. Pour répondre aux exigences biologiques et cliniques, l'idéal serait d'avoir un dispositif qui favoriserait le recouvrement du dispositif par l'endothélium, ou « endothélialisation » et qui aurait un faible potentiel thrombotique et inflammatoire. L'approche couramment utilisée pour répondre à ces critères est de recourir à des dispositifs qui libèrent des médicaments anti-inflammatoires. Pour ce faire, il faut recouvrir les dispositifs métalliques avec des revêtements à base de polymères, en tant que couche intermédiaire, fonctionnalisée ensuite par des molécules bioactives. Toutefois, les dépôts de ces couches polymériques impliquent l'utilisation de chimie en solution incluant des solvants organiques. En outre, ces dernières démontrent avoir une faible adhésion au substrat métallique, dû au procédé utilisé, mais aussi un manque de cohésion. Lors de la procédure d'implantation, les stents subissent une déformation plastique, comme ces revêtements manquent de résistance, ils ont tendance à fissurer ou délaminer. Ce projet de recherche s'insère donc dans cette problématique générale, et propose une nouvelle approche qui permettrait d'éviter ce revêtement polymérique, tout en apportant les propriétés biologiques recherchées. Pour ce faire, la modification de surface proposée implique la fonctionnalisation directe des surfaces métalliques par un procédé plasma. Ce procédé permet de ne pas modifier les propriétés de cœur du matériau, et de créer des groupes fonctionnels en surface, ici des groupes amine réactifs (NH₂), qui servent de points d'ancrage pour le greffage ultérieur des molécules bioactives d'intérêt. En résumé, ce procédé original peut être divisé en 3 parties principales : a) préparation de la surface, b) fonctionnalisation par plasma et c) greffage de molécules bioactives. Tout au long de ce projet de recherche, l'optimisation de chaque partie a été réalisée en vue d'obtenir les propriétés adéquates et nécessaires pour l'application cardiovasculaire visée. Concernant la partie a), c'est-à-dire la préparation de la surface, les traitements suivants ont été testés : électropolissage, traitements thermiques et implantation ionique par immersion dans un plasma. Ces modifications ont été optimisées en vue d'obtenir une couche d'oxyde stable sous déformation présentant la meilleure résistance possible à la corrosion, tout en démontrant la plus haute efficacité d'amination directe par plasma pour la partie b). Enfin, en ce qui concerne le bloc c), le greffage de molécule bioactive, deux bras de liaison différents ont été étudiés pour évaluer leur impact sur la conformation et la performance biologique. Cette étude a été effectuée avec un peptide bioactif dérivé de la molécule d'adhésion des cellules endothéliales et des plaquettes (PECAM-1 ou CD31), en raison de ses propriétés anti-inflammatoire, anti-thrombotique et pro-endothélialisation. Les 2 bras d'ancrage testés sont un à chaine courte, l'anhydride glutarique (GA), contenant seulement 5 atomes de carbone, et un à longue chaine (600 atomes), le polyéthylène glycol (PEG) choisi aussi pour ses propriétés anti-adhérentes. Tout d'abord, cette stratégie a été développée sur des échantillons plats, qui facilitaient grandement les analyses de surface, telles que XPS et ToF-SIMS, et donc les processus d'optimisation de chaque étape, comme la résistance à la déformation, corrosion et l'analyse des propriétés biologiques. Ceci a permis de démontrer que le prétraitement de surface optimal pour les substrats L605 était l'électropolissage, agissant sur sa couche d'oxyde passive pour une efficacité maximale lors de l'étape d'amination. Le bras de liaison qui a démontré le plus grand potentiel pour immobiliser le peptide d'intérêt est le PEG, avec une augmentation significative de la migration et viabilité des cellules endothéliales, par rapport au substrat métallique nu. De plus, le greffage du peptide sur le PEG ajoutait des propriétés anti-thrombotique et anti-inflammatoire par rapport aux échantillons électropolis. Ce procédé a été ensuite adapté à des stents, dont la configuration 3D est très complexe. Après optimisation, les stents pegylées + peptides biomimétiques (Plasma-P8RI) ont été testés in vivo par implantation dans les coronaires de porc porcin pendant 7 jours et 28 jours et leur potentiel de ré-endothélialisation et anti-resténotique ont été évalués. Il a été constaté que la stratégie proposée dans ce projet de recherche favorisait la ré-endothélialisation après 7 jours par rapport au DES (Drug Eluting Stent) commercial, et limitait l'adhérence des leucocytes et des plaquettes lorsque comparé au BMS (Bare Metal Stent). Après 28 jours d'implantation le diamètre luminal des artères n'était pas réduit sur le stent Plasma-P8RI, ce qui signifie que ces stents modifiés ne présentaient pas de risque de resténose, contrairement aux BMS. Ce projet de recherche a permis de développer et de valider une stratégie prometteuse consistant à immobiliser directement des molécules bioactives sur des dispositifs cardiovasculaires en L605, alliage de chrome-cobalt. A notre connaissance, cette approche n'a jamais été rapportée dans la littérature à notre connaissance. Cette stratégie originale, dépourvue des limites associées à l'usage des polymères et basée sur un procédé plasma, présente des avantages évidents et ouvre la voie vers le développement de dispositifs cardiovasculaires innovants. / Cardiovascular diseases represent the leading cause of death in the world. Among them is atherosclerosis that characterizes by the formation of a plaque on the arterial walls that narrows the lumen diameter. This atherosclerotic plaque disrupts the blood flow and can be complicated by thrombosis which can ultimately lead to myocardial infarction. Efficient revascularization is mandatory to treat this disease and a percutaneous coronary intervention (PCI) is performed complemented with the deployment of a stent. Stents are tiny wire mesh that reopens the artery, re-establishing the blood flow whilst supporting the artery avoiding its collapse. Nevertheless, complications after stent implantation exist and in-stent restenosis (ISR) is one of the major concerns. This complication is characterized by the reduction of the lumen diameter, similar to an atherosclerotic plaque, and it is associated to the wound caused on the endothelium by the stent implantation followed by the over-proliferation of smooth muscle cells. One of the first strategies to decrease ISR involved the manufacture of stents using different alloys such as stainless steel, nitinol and cobalt chromium alloys (L605). The latest alloy, L605, has generated significant interest because it allows the fabrication of thinner devices, which have decreased post-implantation clinical complications. Nonetheless, despite the decrease in ISR, when compared to other alloys, the integration of L605 bare metal stents in the host tissue is minimal or inexistent. Thus, enhanced biological properties, such as endothelialisation, low thrombosis activity and anti-inflammatory behaviour represent mandatory requirements for clinical applications. To confer these properties onto metallic devices, polymeric-based coatings, as an intermediate layer to further functionalize with bioactive molecules, are often deposited. Nonetheless, major techniques to deposit these polymeric coatings involve the use of wet-chemistry and do not ensure total resistance during the stent implantation procedure due to lack of cohesion and delamination of the polymeric layer. Thus, a novel approach that foregoes this previously mandatory coating step was developed in this research project. This novel approach involves the use of plasma-based techniques to create functional groups (reactive amine groups, -NH₂), directly onto the metallic surface without modifying the bulk properties, that can be used as anchor points for the further grafting of bioactive molecules of interest. Briefly, this novel approach can be divided in 3 blocks: a) Surface preparation, b) plasma functionalization and c) bioactive molecule grafting. Throughout this research project the optimization of these main blocks was performed aiming for the desired cardiovascular application. Concerning block a), surface preparation, electropolishing, thermal treatments and plasma immersion ion implantations were performed to obtain an oxide layer deformation and corrosion resistant whilst demonstrating the highest direct plasma amination efficiency, for block b). Finally, as regards block c), bioactive molecule grafting, two different linking arms were studied to assess their impact on conformation, and the biological performance of a bioactive peptide derived from the platelet endothelial cell adhesion molecule (PECAM-1 or CD31) due to its pro-endothelialization, anti-inflammatory and anti-thrombotic potential: Glutaric anhydride (GA), as a short chain spacer of 5 carbons, and polyethylene glycol (PEG), as a long chain spacer with antifouling properties. Initially, this strategy was developed on flat samples where using a combination of high-resolution surface characterizations techniques, such as XPS and ToF-SIMS, and corrosion, deformation and biological tests it was confirmed that the optimal surface pre-treatment for L605 was electropolishing, due to its passive oxide layer and that it further allowed to obtain the highest amination efficiency. Furthermore, the best linking arm to immobilize the peptide was PEG, which demonstrated a significantly increase on endothelial cell viability with a faster migration, when compared to the bare metallic substrate. Moreover, peptides immobilized by PEG demonstrated that endothelial cells attached to the surface presented an anti-thrombotic and anti-inflammatory phenotype, when compared to electropolished samples. Thus, this biomimetic surface was selected for an in vivo trial in porcine model to evaluate its potential re-endothelialization and anti-restenotic activity. It was found that by directly attaching a CD31 agonist onto the bare metal stent by this strategy improved re-endothelialization after 7 days when compared to commercial DES, with further, low adhesion of leukocytes and platelets when compared to BMS. Moreover, after 28 days of implantation, Plasma-P8RI did not present a significant decrease on the lumen diameter, which was not the case for BMS that presented in-stent restenosis after this period. Overall, this research project allowed the development and validation of a promising strategy to directly immobilize bioactive molecules onto L605 cobalt chromium cardiovascular devices, providing clear advantages of medical devices currently on the market. Furthermore, to the best of our knowledge, such plasma-based multi-step strategy has never been previously reported in literature.

Les endofuites sont des complications évolutives des traitements endovasculaires des anévrysmes de l'aorte abdominale sous rénale et exposent au risque persistant d'évolution vers la rupture en maintenant une pression positive au sein du sac anévrysmal théoriquement exclu de la circulation générale par l'endoprothèse. Différents types d'endofuites sont décrits selon leur origine et mécanismes d'action. Les endofuites de type 2, définies par une circulation rétrograde au sein du sac anévrysmal depuis les artères mésentérique inférieure ou lombaires pose un problème de prise en charge thérapeutique. A travers la modélisation chez l'animal d'anévrysmes traités par endoprothèses et sièges d'endofuites de type 2, cette étude expérimentale établit qu'une seule de ces endofuites suffit pour créer une pression positive anévrysmale. Elle établit également la faisabilité d'un traitement coelioscopique des endofuites de type 2 permettant une baisse significative de cette pression tout en offrant une alternative thérapeutique peu invasive.