L’augmentation de la fréquence des pathologies cardiovasculaires ainsi que les limites des thérapies disponibles, conduiront, ces prochaines décennies, à des besoins importants en substituts vasculaires, surtout de faibles calibres. L’objectif de ce travail est d’élaborer de nouvelles matrices naturelles vasculaires, répondant aux qualités nécessaires pour le remplacement de vaisseaux endommagés. Nous avons choisi de valoriser des artères ombilicales humaines cryoconservées et désendothélialisées en les fonctionnalisant avec un film de polyélectrolytes. Ces films sont construits par dépôts alternés d’hydrochlorure de polyallylamine (polycation) et de poly (sodium-4-styrène sulfonate) (polyanion). L’évaluation des propriétés biomécaniques de la paroi du greffon après dépôt du film montre la restauration de son élasticité perdue au cours de la congélation. Pour le développement d’une surface luminale non thrombogène deux approches ont été envisagées : 1)- Favoriser la formation d’un néo-endothélium vasculaire sur un film qui se termine par une couche positive, 2)- Empêcher toute adhésion cellulaire sur la surface luminale chargée négativement. La caractérisation in vitro des artères endothélialisées a montré que le film permettait le développement d’un endothélium avec une morphologie proche de l’artère native. Nous observons également une meilleure résistance des cellules au cisaillement. L’implantation chez le lapin d’artères non endothélialisées a montré une bonne fonctionnalité (perméabilité, résistance, structure…) des artères après trois mois d’implantation. Ces résultats encourageants permettent d’envisager une évaluation des substituts fonctionnalisés endothélialisés ou décellularisés chez le gros animal. / The enhancement of cardiovascular pathology frequencies and unavailability of the adequate therapies will imply during the next decades an important requirement in vascular substitutes, especially for small calibre. The aim of this study is to elaborate a functional vascular substitute. We present here a new procedure to treat cryopreserved arteries based on their inner surface coating with poly(sodium-4-styrene sulfonate)/poly(allylamine hydrochloride) polyelectrolyte multilayer (PEM). We show that this treatment improves the mechanical properties of the cryopreserved vessel. In order to elaborate an antithrombogenic luminal surface two approaches have been considered. The first was to improve the endothelium formation when the terminal layer is a polycation. The second was to prevent cell adhesion on the negative luminal surface. In vitro results show that PEM allows the endothelial cell spreading and an enhancement of cell retention to shear stress. In vivo results show a good graft patency during three months of implantation after rabbit carotid replacement. All these promising results open the route towards the development of future new biocompatible tissue substitutes allowing long-term functionality after implantation.

Le manque croissant en eau potable dans le monde est un problème d’envergure pour la population. La filtration par des membranes des eaux usées, insalubres ou la désalination apparaît comme une alternative viable pour le futur. La modification de membranes d’ultrafiltration par l’assemblage couche-par-couche permet d’obtenir des propriétés de nanofiltration en contrôlant avec une précision nanométrique l’épaisseur de la couche active de séparation déposée. Lors de cette thèse, nous avons étudié la construction de la couche de séparation ainsi que sa régénérabilité. Pour ce faire, nous avons développé des surfaces « membrane-like » pour étudier la construction sur des surfaces possédant des fonctions chimiques similaires à l’applicative. Par ailleurs, le temps de déposition a aussi été investigué afin de déterminer si les propriétés de séparation des membranes modifiées dépendaient du nombre de couches déposé ou du temps de dépôt. Les membranes ainsi développées présentent une couche de séparation régénérable et des propriétés de nanofiltration. / The increasing lack of drinking water in the world is of major concern for the population. Membrane filtration of brackish water, seawater appears to be a viable alternative for the future. Nanofiltration membranes can be obtained by modifying ultrafiltration membranes by the Layer-by-Layer (LbL) technique. This method also the deposition of an ultra-thin separation layer with a nanoscale precision and with tunable properties. During this PhD thesis, the build-up and the regenerability of the separation layer was investigated. For this purpose, mimicry surfaces were developed in order to study the LbL-assembly on surfaces presenting similar chemical functions as the applicative one. In addition, the deposition time was also investigated in order to determine if the separation properties of the membrane depend on the number of deposited layers or on the coating time. The developed membranes possessed a regenerable separation layer presenting nanofiltration properties.

Les taux élevés de mortalité et de morbidité associés aux maladies vasculaires en font des pathologies dont les conséquences physiopathologiques, chirurgicales et socio-économiques sont d’une importance majeure pour le système de santé. Malgré leurs avantages, la disponibilité limitée des vaisseaux autologues a conduit au développement de prothèses synthétiques. Cependant, leur surface hautement thrombogène limite leur utilisation dans la substitution des vaisseaux de petit calibre (< 6 mm). De ce fait, à cause de leur obstruction précoce, la reconstitution d’une surface luminale proche de l’endothélium natif est incontournable. Pourtant, les revêtements de surface actuellement disponibles possèdent de médiocres qualités de rétention des néo-endothélium lorsqu’ils sont soumis à des contraintes de cisaillement physiologiques. Dans ce travail, nous proposons un substitut vasculaire de petit calibre endothélialisé réalisé à partir de trois éléments : 1) une matrice préparée à partir d’une artère ombilicale désendothélialisée, 2) un recouvrement de surface innovant constitué du film multicouche de polyélectrolytes (MPE) (PAH-PSS)3-PAH, et 3) un néo-endothélium constitué de cellules endothéliales matures ou progénitrices. Les études in vitro menées sur ces substituts ont montré que la formation, la rétention sous contraintes de cisaillement et la fonctionnalité du néoendothélium élaboré sur la surface luminale étaient améliorées par le film MPE. L’implantation du substitut par pontage termino-latéral sur le lapin a montré que le cahier des charges imputé aux substituts de petit calibre était rempli, principalement en termes de perméabilité et de diamètre, mais aussi de résistance à la suture et aux infections. En conclusion, le film MPE favorise le développement d’un substitut vasculaire de petit diamètre perméable à « long » terme et qui pourrait répondre aux exigences des chirurgiens / Vascular diseases with their high rate of mortality and morbidity belong to the pathologies involving important socio-economic factors for health system. Despite the advantages of autografts, the limited availability of autologous vessels has led to the development of synthetic prostheses. However, their high thrombogenic surface limits their use as small calibre vascular substitutes (< 6 mm). To prevent narrowing of small diameter vascular grafts, the reconstruction of a luminal surface close to the native endothelium is essential. However, the retention of the neo-endothelium subjected to shear stress is poor on the coatings currently available. In this work, we developed a small calibre endothelialized vascular substitute thanks to three elements: 1) a natural matrix prepared from umbilical artery, 2) an innovative coating based on the polyelectrolytes multilayer film (PEM) (PAH-PSS)3-PAH, and 3) used for cell culture of mature or progenitor endothelial cells. In vitro studies have shown that the formation, the retention under shear stress and the endothelial function of the neoendothelium on the luminal surface were improved by PEM film. The anastomosis of this substitute on rabbits has shown that the specifications essential to small calibre vascular grafts were reached, mainly in terms of permeability and diameter but also of resistance to suture and infections. In conclusion, PEM films helped us to develop a small diameter vascular substitute with long term patency

Les nanotechnologies sont en train de révolutionner le domaine biomédical et plus particulièrement l’ingénierie tissulaire. Elles permettent aujourd’hui, non seulement de réparer mais aussi de régénérer les tissus. Cette nanomédecine régénérative est particulièrement adaptée pour répondre aux besoins importants liés aux maladies dégénératives, au vieillissement et aux traumatismes.Mon travail de thèse s’inscrit dans ce contexte et concerne l’élaboration de biomatériaux nanofibreux et microporeux actifs pour la régénération osseuse. Notre objectif essentiel est de réaliser un implant biodégradable nanostructuré permettant d’accélérer la réparation du tissu osseux. Notre stratégie innovante repose non seulement sur la mise en oeuvre de membranes par électrospinning mais aussi sur leur fonctionnalisation par des facteurs de croissance. Cette fonctionnalisation originale a consisté à enrober ces principes actifs dans des nanoréservoirs en utilisant la technique multicouche de polyélectrolytes. Des membranes de polycaprolactone (PCL) nanofibreuses et microporeuses ont été obtenues par électrospinning puis les fibres ont été enrobées de réservoirs contenant le facteur ostéoinducteur, la protéine morphogénique osseuse 2 (BMP-2). L’induction osseuse engendrée par ces réservoirs actifs a été mise en évidence in vitro après culture d’ostéoblastes humains primaires. Des expérimentations in vivo chez la souris ont permis de confirmer l’accélération de la régénération osseuse grâce à ces nanoréservoirs.Cette même stratégie a été validée in vivo, chez la souris, en utilisant des membranes de collagène d’origine animal commerciales utilisées en clinique. L’activité de ces membranes fonctionnalisées par des nanoréservoirs de BMP-2 est en cours d’analyse dans le cadre de tests précliniques pour une application maxillofaciale et parodontale. / Nanobiotechnology enables the emergence of entirely new classes of bioactive devices intended for targeted intracellular delivery for more efficiency and less toxicities. Tissue engineering is an interdisciplinary field that has attempted to implement a variety of processing methods for synthetic and natural polymers to fabricate tissue and organ regeneration scaffolds.We report here the first demonstration of bone regeneration by using a strategy based on a synthetic nanostructured membrane. This electrospun membrane is manufactured by using a FDA approved polymer, PCL, (polycaprolactone), and functionalized with nanoreservoirs of a growth factor (BMP-2). Our expected outcomes are the development of clinical applications in the field of tissue engineering and nanomedecine and particularly in bone regeneration.We propose the development of smart nanostructured active implants for regenerative medicine. Our strategycombines a synthetic biodegradable electrospun nanofibrous membrane based on PCL and a bioactive growth factor (BMP-2) entrapped into polymer nanoreservoirs built atop the nanofibers according to the layer-by-layer technology. In this study, by using primary osteoblasts, we have shown the capacity of these sophisticated implants to promote and accelerate not only in vitro bone induction; but also, in vivo, bone formation (mouse model).We have also validated our strategy, in vivo (mouse model), by using an already used in the clinic collagen membrane (animal origin) to accelerate bone regeneration. This unique strategy is used to entrap, protect and stabilize the therapeutic agent into polymer coating acting as nanoreservoirs enrobing fibers of membranes.

Notre équipe a développé une stratégie innovante de fonctionnalisation d’implants nanofibreux synthétiques à base de nanoréservoirs actifs pour la médecine régénérative osseuse. Notre objectif essentiel est de proposer un implant synthétique, biodégradable, et nanostructuré permettant d’accélérer la réparation du tissu osseux. Ces nouveaux implants synthétiques représentent un choix alternatif aux membranes de collagène d’origine animale. Notre stratégie consiste à construire des nanoréservoirs de chitosane, contenant des facteurs ostéoinducteurs tels que la BMP-2 afin d’enrober les nanofibres de nos implants. L’implant synthétique et biomimétique a été conçu à partir du le poly(ε-caprolactone) (PCL),polymère biocompatible et biodégradable approuvé par la FDA, et élaboré grâce à la technique de l’electrospinning afin de mimer la matrice extracellulaire. L’optimisation de ce procédé a permis la mise en oeuvre d’implants d’épaisseurs différentes (jusqu’à 10mm). La double fonctionnalisation de l’implant a permis de le rendre bioactif et vivant en utilisant la combinaison de facteur de croissance et de cellules souches mésenchymateuses. L’efficacité de la double fonctionnalisation des implants de PCL a ainsi été mise en évidence par l’accélération de la régénération osseuse in vivo.L’activité de ces implants fonctionnalisés de nanoréservoirs bioactifs est en cours d’analyse dans le cadre de tests précliniques pour une application maxillo-faciale, parodontale et orthopédique en vu d’obtenir un marquage CE. De plus, une start-up (ARTiOS NanoMed) basée sur cette nanotechnologie a été crée. En conclusion, nous pensons que la technologie développée par notre laboratoire a permis une avancée dans le domaine de la régénération osseuse et que cette technologie présente un fort potentiel d’application en clinique. / Our team has developped a novel and unique strategy to functionnalize nanofibrous and synthetic implants based on active nanoreservoirs for bone regeneration. We propose a new synthetic biodegradable and nanostructured implant to accelarate restoration of bone tissue. These new implants could replace collagen membranes from animal origin. The nanoreservoirs are based on chitosan containing osteoinductive growth factors such as BMP-2. Poly(ε-caprolactone) (PCL) is a biodegradable and biocompatible polymer approved by FDA and has been used to produce the synthetic and biomimetic implants by electrospinning in order to mimic the bone extracellular matrix. Optimization of this process has allowed the elaboration of nanofibrous implants with different thicknesses reaching 10 mm. Using the combination of growth factors and mesenchymal stem cells in a double functionalization created a bioactive and living implant. This strategy has been validated in vitro and in vivo thanks to bone site implantation in murin model. Acceleration of bone regeneration in vivo has brought to light the efficiency of the double functionalization onto the PCL implants.The functionalized implants bioactivity is still currently in study for pre-clinical trials in order to obtain authorization for applications in maxillo-facial, parodontal, and orthopaedic fields. Moerover, astat-up (ARTiOS NanoMed) based on this nanotechnology has been founded.To conclude, we believe that our nanotechnology could lead to a new generation of engineered bone implants which has a great potential to be used in the clinic.