When the big joints like a knee or hip joint are damaged, the solution of this problem is an artificial substitute. The replacement of damaged joints with endoprotesis helps to reduce the pain and to move normally. In the design of the implant is necessary to fulfil all requirements on the properties of the material. The surface of implant is important, because it is directly connected to bone tissue. After implantation, the negative effect include infection, inflammation or release of the implant due to limited osseointegration, may appear. The osseointegration can be improved by modifying the material surface. This thesis is focused on development and evaluation of advanced materials imitating the bone structure, especially nanoroughness and the presence of biomimetic component, such as hydroxyapatite. In this study is evaluated adhesion, proliferation, viability, differentiation, and synthesis of specific proteins of human osteoblasts like Saos-2 on titanium modified with nanotubes and plasma sprayed hydroxyapatite compared with smooth surfaces. Key words: titanium, nanotubes, osteoblasts, hydroxyapatite, nanoroughness

In vivo, les phopholipides interagissent avec des structures moléculaires rugueuses, telles des clusters ou fibrilles de protéines. Ce thème n’est pourtant que trop peu abordé dans la littérature scientifique, alors qu’il semblerait que la topologie de la surface sur laquelle repose ces molécules ou mêmes protéines influencent leurs propriétés. Notre projet s’est donc concentré sur les effets qu’un support accidenté pouvait soulever sur les bicouches lipidiques supportées (BLS).Dans un premier temps, nous avons étudié la mobilité de phopholipides déposés sur des supports plus ou moins rugueux par la méthode de recouvrement après photobleaching patterné (FRAPP pour Fluorescence Recovery After Patterned Photobleaching en anglais). Ces derniers ont été créés afin d’obtenir une large gamme de rugosité et caractérisés par Microscopie à Force Atomique.Nous sommes ensuite intéressés à la conformation d’une membrane sur ces substrats à l’aide de la technique non invasive de réflectivité de neutrons.Enfin, nous avons commencé à nous pencher sur les propriétés tribologiques des lipides lubrifiants nos surfaces rugueuses / In vivo lipid membranes interact with rough supramolecular structures such as protein clusters and fibrils However, this issue is not very developped in the state of art, while surface topology which interact with these molecules affects their properties. In this project, effects of rough surface on supported lipid bilayer (BLS) are investigated.First, lipid mobility are studied with the FRAPP method (Fluorescence Recovery After Photobleaching). BLS are deposited on rough supports which are characterized by AFM (Atomic Force Microscopy).Then, BLS structure on our rough surfaces are investigated by Neutron Reflectivity.Finally, first results on tribological properties of our systems are introduced

Colloidally-stable zero valent iron nanoparticles (nZVI) were synthesized through a classical redox reaction of iron sulfate with minor modifications using cellulose nanocrystals (CNCs) as stabilizers. We obtained spherical nZVI particles with high surface roughness and a mean size of 130nm. Particles remain colloidally stable after more than two months. Cellulose nanocrystals play a dual role in nZVI stability: a foreign surface to encourage stable nucleation over fast aggregation and a stabilizer to prevent iron nanoparticles aggregating into fractal colloids. Our results highlight the impact of the presence of CNCs on the rates and mechanisms of nucleation, growth, aggregation, and aging of nZVI particles, indicating promise in controlling size and morphology of similarly redox-generated nanoparticles. Cellulose nanocrystal-stabilized nZVI nanoparticles demonstrate properties well-suited for enhanced soil and groundwater remediation. //Nanocomposites composed of carboxylated cellulose nanocrystals and iron (Fe-oxCNC) were prepared through a classical redox reaction of iron sulfate using TEMPO-oxidized cellulose nanocrystals (oxCNCs) as a template and stabilizer. Morphological control over Fe-oxCNC nanoparticles was realized by varying the amount of oxCNC added to the redox process. As the molar ratio between oxCNC and Fe was increased from 1 to 8, the morphology of Fe-oxCNC nanoparticles evolved from rounded iron aggregates supported by cellulose nanocrystals to thin film iron-coatings on cellulose nanocrystals. Transmission electron microscopy (TEM), Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometry (ICP-OES), and chemical analyses (EDX, EELS) revealed that oxCNCs were coated by iron. Small changes to the density and type of functional groups on the CNC surface have large impacts on the morphology and the oxidation state of adsorbed iron nanoparticles. / Thesis / Master of Applied Science (MASc)

La contamination des matériaux par les bactéries est un processus naturel et spontané pouvant être à l’origine de graves infections. Actuellement, les techniques de lutte contre la biocontamination font appel à l’utilisation de matériaux biocides. Ces méthodes sont cependant sujettes à controverse puisqu’il a été mis en évidence qu’elles pouvaient être toxiques, que leur efficacité pouvait diminuer dans le temps et surtout qu’elles pouvaient participer à rendre les bactéries de plus en plus résistantes. La formation d’un biofilm impliquant l’adhésion des bactéries sur les surfaces, de nouvelles stratégies ont été développées par la conception de surfaces limitant leurs interactions avec les bactéries, telles que les surfaces anti-adhésives superhydrophobes. En effet, dans ce cas, l’adhésion est réduite par la présence d’une couche d’air entre les bactéries et la surface. Dans ce projet, deux matériaux ont été rendus superhydrophobes : un acier inoxydable 316 par électrodéposition de polymères hydrocarbonés ou fluorés dérivés du poly(3,4- éthylènedioxythiophène), et un PET par des traitements plasma successifs d’oxygène, de polypyrrole et de CF4. Le contrôle des paramètres expérimentaux ont permis d’obtenir des surfaces d’hydrophobie et de morphologie variables de façon à pouvoir étudier l’influence de ces propriétés physico-chimiques sur la bioadhésion et la formation de biofilm de trois souches bactériennes : P. aeruginosa, L. monocytogenes et S. aureus. Il a ainsi été mis en évidence, dans les conditions testées, l’importance de la présence de fonctions fluorées associée à une structuration contrôlée pour diminuer la biocontamination de surfaces. / Bacterial surface contamination is a natural and spontaneous process involved in serious infections. Currently, biocidal materials are used to avoid the biocontamination. However, these methods are not sufficient because of their toxicity, their loss of efficiency over time and mainly because they can make the bacteria more resistant.The biofilm formation involving the bacterial adhesion on surfaces, new strategies have been developed with the conception of surfaces reducing their interactions with bacteria, such as superhydrophobic surfaces. In fact, bacterial adhesion could be reduced by the presence of an air layer between superhydrophobic surface and bacteria. In this project, two substrates have been made superhydrophobic: 316 stainless steel by electrodeposition of hydrocarbon or fluorocarbon polymers, derived from poly(3,4- ethylenedioxythiophene), and PET by successive plasma treatments of oxygen, polypyrrole and CF4. The control of experimental parameters led to different water repellency and surface morphologies, and allows the study of the effect of these physico-chemical properties on the bioadhesion and the biofilm formation with three bacteria: P. aeruginosa, L. monocytogenes and S. aureus. Thus, it has been shown the important role of fluorinated chains and controlled surface structures to reduce the surface biocontamination.

Cette thèse porte sur l'évaluation de la réponse cellulaire in vitro vis-à-vis de différentes stratégies de modification de surface pour améliorer la capacité d’ostéointégration de céramiques bioinertes pour implants orthopédiques et dentaires. Premièrement des surfaces l'alumine-zircone avec différentes micro-rugosités obtenues par moulage par injection ont été étudiées. Le comportement d'ostéoblastes primaires humains (obtenus à partir de têtes de fémurs soumis à arthroplastie) a été étudié sur les surfaces telles quelles ou modifiées par traitement avec acide hydrofluorique. La micro-rugosité a eu seulement un effet mineur sur la réponse ostéoblastique tandis que la combinaison de micro- et nano-rugosité a eu un effet synergique sur la maturation ostéoblastique. Cette stratégie de modification de surface ouvre la voie vers des cupules acétabulaires céramiques monoblocs directement ostéo-intégrées. Deuxièmement, le robocasting (une technique d’impression 3D) a été exploré pour la production de structures macroporeuses en alumine-zircone avec une haute reproductibilité et contrôle architectural. Les structures imprimées ont présentées une topographie aux multiples niveaux grâce au design et les conditions de frittage. Les ostéoblastes ont pu s'attacher sur les structures 3D mais la préservation des cellules à l’intérieur des scaffolds sur le long terme reste à améliorer. Des techniques de sélection rapide de modifications de surface ont fait l'objet de la dernière partie de cette thèse. Deux différentes stratégies ont été utilisées sur la zircone: laser femtoseconde pour la production de multiples motifs sur un échantillon unique et échantillons avec un gradient de rugosité via le contrôle du temps d’attaque chimique. La morphologie des cellules souches humaines a permis d'avoir un indicateur précoce de la lignée de différentiation cellulaire. En conclusion, les différentes techniques de modification de surface de zircone et alumine-zircone utilisées à travers la thèse peuvent moduler l’interaction cellule-matériau en stimulant la différentiation ostéoblastique de cellules souches et la maturation des ostéoblastes. / The focus of this PhD thesis is the in vitro evaluation of cell-material interactions on bioinert ceramics with novel surface modifications for enhanced osseointegration of orthopaedic and dental implants. Firstly, alumina-zirconia surfaces with different micro-roughnesses obtained by injection moulding were studied. The behaviour of human primary osteoblasts (hObs) obtained from patients undergoing total hip replacements was studied on the different micro-rough ZTA surfaces and on combined micro-/nano-rough surfaces modified by hydrofluoric acid treatment. Micro-roughness alone had minor effects on hOb response while the combination micro-/nano-roughness induced a synergic effect on hOb maturation. This latter surface modification technique opens the way to the fabrication of ceramic acetabular cups with direct implantation capabilities. Secondly, robocasting (a 3D printing technique) was explored for the fabrication of a alumina-zirconia macroporous structures with high reproducibility and control of the architecture. Roughness at different scales was observed for the 3D structures due to the scaffold design and to the low temperature sintering conditions. Osteoblasts were able to attach on the 3D structures but cell retention at long term needs further optimization. Rapid screening of cell-material interactions was the subject of the last part of the thesis. Two different strategies were tested on zirconia: femtosecond laser to produce multiple patterns on a single sample and samples with a roughness gradient by the control of chemical etching time. Stem cell morphology was used as an early marker of cell differentiation lineage. In conclusion, the different surface modification techniques of zirconia and alumina-zirconia surfaces used in the thesis allow the modulation of cell-material interactions by stimulating stem cells osteogenesis and osteoblast maturation.