Le titane (Ti) est largement utilisé en orthopédie et médecine dentaire. Ce matériau présente d´excellentes propriétés mécaniques, est biocompatible et résiste à la corrosion. L’interaction entre les cellules et la surface d’un implant joue un rôle décisif dans l’ostéointégration. Malgré la grande variété d’études que nous trouvons dans la littérature, le comportement des cellules en contact avec des matériaux implantables comme le Ti n’est toujours pas élucidé à toutes les échelles topographiques. Notre laboratoire a développé une méthode de modification physico-chimique de la surface de métaux à intérêt médical. Cette méthode génère des surfaces nanoporeuses qui favorisent la différenciation de cellules souches, affectent le comportement cellulaire de façon différentielle, promeuvent la formation osseuse in vitro et in vivo, et qui ont une capacité antibactérienne. Afin de mieux comprendre comment cette surface influence le comportement cellulaire, nous avons étudié leur influence sur la formation et la maturation des adhésions focales (FAs, de l’anglais) et la formation des filopodes. De plus, nous avons examiné comment les caractéristiques physico-chimiques de la surface obtenue guident l’expression génique des protéines associées aux FAs et aux filopodes en utilisant différentes lignées cellulaires. Finalement, afin de mieux comprendre la biomécanique de la cellule, la force d’adhésion à la surface des filopodes a été déterminée à l’aide de la microscopie à force atomique (AFM). Des disques de Ti commercialement pur (Cp-Ti) ont été polis a fini miroir (Ti-Control), une partie des disques a été traité avec un mélange d’acide sulfurique et de peroxyde d’hydrogène pour créer une surface nanostructurée poreuse (Ti-Nano). L’influence de la nanoporosité, de la cristallinité et la mouillabilité de cette surface sur des cellules pre-ostéoblastiques de souris (MC3T3) et des bactéries a été évalué par la microscopie électronique à balayage (MEB) et par immunofluorescence (IF). Nous avons ensuite utilisé une lignée cellulaire épithéliale (CHO-K1) qui exprime la paxilline (une protéine des FAs) de type sauvage ou la paxilline avec des mutations. De plus, la force d’interaction des filopodes avec la surface a été quantifié en mesurant la force latérale nécessaire pour les déplacer avec une pointe d’AFM. Finalement, la centrifugation a été utilisée pour étudier les changements fonctionnels des cellules MC3T3. L’analyse du comportement des cellules MC3T3 sur des surfaces amorphes et cristallines n'a pas montré de différence par rapport au nombre des cellules ou la quantité des FAs. La cristallinité de la couche superficielle n’avait également aucune incidence sur l’adhésion bactérienne. Les deux lignées cellulaires utilisées ont montré une présence abondante de filopodes avec des nanoprotrusions latérales en réponse à la nanoporosité. La taille et la forme des cellules CHO-K1 ont été grandement affectées par la topographie. L’expression génique des protéines associées aux différents marqueurs des FAs et aux protrusions a été aussi significativement augmentée sur la surface nanoporeuse, quel que soit le type de cellule. Les filopodes sur Ti-Nano ont montré une plus grande résistance au détachement latéral, ce qui indique qu'ils adhèrent à la surface avec plus de force. Également, l’analyse par MEB a révélé une restructuration de la membrane cellulaire accompagnée d’un changement de la forme cellulaire après centrifugation. Parce que les mitochondries fournissent de l’énergie pour les processus cellulaires, l’organisation du réseau mitochondrial a été influencée aussi par la topographie de surface et la centrifugation. Bien qu’il ne puisse pas être exclu que la cristallinité et la mouillabilité de la surface contribuent dans une certaine mesure à déterminer le comportement des cellules, nos résultats suggèrent que les caractéristiques physiques des surfaces représentent le principal déterminant. Nous avons démontré aussi, pour la première fois, que la topographie de surface peut modifier l’interaction adhésive d’une structure subcellulaire qui est fondamentale dans la détection des caractéristiques physico-chimiques des surfaces. En conclusion, nos résultats montrent que la topographie de surface peut modifier des propriétés fondamentales dans les cellules. Dans leur ensemble, ils soulèvent la possibilité que les surfaces nanostructurées puissent être utilisées non seulement pour guider/accélérer l’intégration de biomatériaux dans des conditions normales, mais également dans des situations où l’activité cellulaire est compromise ou également pour les prothèses soumises à des charges externes, telles que les implants orthopédiques et dentaires. / Titanium (Ti) is widely used in orthopedics and dentistry. This material has excellent mechanical properties, is biocompatible and corrosion resistant. The interaction between the cells and the surface of an implant plays a key role in osseointegration. Despite the wide variety of studies found in the literature, the behavior of cells in contact with implantable materials such as Ti is not yet fully elucidated at all topographic scales. Our laboratory has developed a method for the physicochemical modification of the surface of medically relevant metals. This method generates nanoporous surfaces that promote stem cell differentiation, differentially affect cellular behavior, promote bone formation in vitro and in vivo and have antibacterial capacity. To better understand how this surface influences cell behavior, we studied their influence on the formation and maturation of focal adhesions (FAs) and filopodia formation. Furthermore, we examined how the physicochemical characteristics of the resulting surface guide the gene expression of proteins associated with FAs and filopodia using different cell lines. Finally, to better understand the biomechanics of the cell, the adhesion strength of filopodia to the surface was determined using atomic force microscopy (AFM). Commercially pure Ti discs (Cp-Ti) were polished to a mirror finish (Ti-Control), some of the polished discs were treated with a mixture of sulfuric acid and hydrogen peroxide to create a nanostructured surface (Ti-Nano). The influence of nanoporosity, crystallinity and wettability of this surface on mouse pre-osteoblastic cells (MC3T3) and bacteria was evaluated by scanning electron microscopy (SEM) and immunofluorescence. Then, to evaluate the response to nanotopography, we used an epithelial cell line (CHO-K1) that expresses wild type paxillin (a protein of FAs) or paxillin with mutations. In addition, the interaction forces of the filopodia with the surface were quantified by measuring the lateral force required to displace these structures from the surface with an AFM tip. Finally, centrifugation was used to study functional changes in MC3T3 cells. Analysis of the behavior of MC3T3 cells on amorphous and crystalline surfaces showed no difference in cell number or the number of focal adhesions. The crystallinity of the surface layers also had no effect on bacterial adhesion. Both cell lines used showed abundant presence of filopodia 4 with lateral nanoprotrusions in response to nanoporosity. The size and shape of CHO-K1 cells was greatly affected by the topography. Gene expression of proteins associated with different focal adhesion markers and protrusions was also significantly increased on the nanoporous surface, regardless of cell type. Filopodia on the Ti-Nano showed greater resistance to lateral detachment force, indicating that they adhere to the surface with greater strength. Also, SEM analysis revealed a restructuring of the cell membrane accompanied by a corresponding change in cell shape after centrifugation. Because mitochondria provide energy for cell processes, the organization of the mitochondrial network was also influenced by surface topography and centrifugation. Although it cannot be excluded that surface crystallinity and wettability contribute to some extent to determining cell behavior, our results suggest that the physical characteristics of the surfaces represent the main determinant. We have also shown for the first time that surface topography can modify the adhesive interaction of a subcellular structure that is fundamental in the detection of the physicochemical characteristics of surfaces. In conclusion, our results show that surface topography can modify fundamental properties in cells. Together, they raise the possibility that nanostructured surfaces can be used not only to guide/accelerate the integration of biomaterials under normal conditions, but also in situations where cellular activity is compromised or also for prostheses under external loads, such as orthopedic and dental implants.

Deposition of nanoscale thickness films is ubiquitous in micro- and nano-scale device manufacturing. Current techniques such as spin-coating and chemical vapor deposition are designed to create only uniform thin films, and can be wasteful in material consumption. They lack the ability to adaptively prescribe desired film thickness profiles. This dissertation presents a novel inkjet-based zero-waste polymer deposition process referred to as Jet and Coat of Adaptive Sustainable Thin Films or J-CAST. The core of this process is built on an experimentally validated multi-scale fluid evolution model, based on extensions of lubrication theory. This model involves a nano-scale fluid film sandwiched between two flat plates: a compliant superstrate and a rigid substrate, with spatial topography on both surfaces. Accounting for the flexural elasticity of the compliant superstrate, and describing the temporal evolution of the fluid film in the presence of different boundary conditions reveals that instead of seeking process equilibrium, non-equilibrium transients should be exploited to guide film deposition. This forms the first core concept behind the process. This concept also enables robust full-wafer processes for creation of uniform films as well as nanoscale films with prescribed variation of thickness at mm-scale spatial wavelengths. The use of inkjets enables zero-waste adaptive material deposition with the preferred drop volumes and locations obtained from an inverse optimization formulation. This forms the second core concept behind the process. The optimization is based on the prescribed film thickness profile and typically involves >100,000 integer parameters. Using simplifying approximations for the same, three specific applications have been discussed - gradient surfaces in combinatorial materials science and research, elliptical profiles with ~10km radius of curvature for X-ray nanoscopy applications and polishing of starting wafer surfaces for mitigation of existing nanotopography. In addition, the potential of extending the demonstrated process to high throughput roll-roll systems has also been mentioned by modifying the model to incorporate the compliance of the substrate along with that of the superstrate. / text

Αντικείμενο της παρούσας διατριβής, ήταν η διερεύνηση της διεπιφάνειας ανθρώπινων μεσεγχυματικών κυττάρων (Human Mesenchymal Stem Cells, hMSCs) -Νανοσωλήνων Άνθρακα Πολλαπλού Τοιχώματος (Multi Walled Carbon Nanotubes, MWCNTs) υπό στατικές και δυναμικές συνθήκες. Οι MWCNTs έχει αποδειχθεί ότι, έχουν μοναδικές ηλεκτρικές και φυσικές ιδιότητες, μηχανική αντοχή και χαμηλή πυκνότητα, χαρακτηριστικά που τους καθιστούν εξαιρετικά ελκυστικούς για το σχεδιασμό βιοϋλικών για ορθοπαιδικές εφαρμογές. Αρχικά, μελετήθηκε η βιοσυμβατότητα των hMSCs σε επιφάνειες MWCNTs, ως προς την κυτταροτοξικότητα, τη μορφολογία, τον πολλαπλασιασμό, τη διαφοροποίηση και την οργάνωση του κυτταροσκελετού. Το υπόστρωμα των MWCNTs ευνόησε την εξάπλωση των κυττάρων, προήγαγε τον πολλαπλασιασμό και προώθησε τη διαφοροποίηση των hMSCs σε οστεοβλάστες, όπως έδειξε η έκφραση αλκαλικής φωσφατάσης, οστεοποντίνης και οστεοκαλσίνης. Μελετήθηκε η γονιδιακή έκφραση των ιντεγκρινικών υποδοχέων, υπεύθυνων για την προσκόλληση των κυττάρων στους MWCNTs. Με την τεχνική του περιστρεφόμενου δίσκου, εκτιμήθηκε η δύναμη προσκόλλησης των hMSCs στους MWCNTs και η επίδραση της κάθε ιντεγκρίνης στη μεταβολή της δύναμης προσκόλλησης. Για τη διερεύνηση της απόκρισης των οστεοβλαστών στη μηχανική φόρτιση, τα προσκολλημένα κύτταρα στους MWCNTs καταπονήθηκαν για 3 και 24 ώρες, με σύστημα μηχανικής φόρτισης βασισμένο στην Αρχή Κάμψης Τεσσάρων Σημείων. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι, η φόρτιση επηρεάζει θετικά την έκφραση γονιδίων προσκόλλησης και δεικτών διαφοροποίησης. Επιπρόσθετα, μελετήθηκε η συμπεριφορά των hMSCs ως προς την κυτταροτοξικότητα, τον πολλαπλασιασμό, τη διαφοροποίηση, την οργάνωση του κυτταροσκελετού και την έκφραση γονιδίων προσκόλλησης, σε τροποποιημένες επιφάνειες MWCNTs με υδροξυλομάδες, καρβοξυλομάδες και αμινομάδες. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι, η αμινοτροποποιημένη επιφάνεια ευνόησε σημαντικά την κυτταρική συμπεριφορά σε σύγκριση με τις άλλες δύο επιφάνειες. Τέλος, μελετήθηκε η επίδραση της τοπογραφίας με χρήση κάθετα ευθυγραμμισμένων MWCNTs, σε σύγκριση με τυχαία προσανατολισμένους MWCNTs. Η απόκριση των hMSCs στους κάθετα ευθυγραμμισμένους MWCNTs ήταν καλύτερη σε σύγκριση με τους τυχαία προσανατολισμένους, τόσο ως προς τον πολλαπλασιασμό και τη διαφοροποίηση, όσο και ως προς την οργάνωση του κυτταροσκελετού. Τα αποτελέσματα της διατριβής είναι υποσχόμενα για το μελλοντικό σχεδιασμό βιοϋλικών με MWCNTs, με τελικό σκοπό την εφαρμογή σε θεραπείες στις οποίες απαιτείται ανακατασκευή του οστού. / The aim of the present study was the investigation of the interface of human Mesenchymal Stem Cells (hMSCs) – Multiwalled Carbon Nanotubes (MWCNTs), under static and dynamic conditions. MWCNTs have been proven to obtain unique electric and physical properties, mechanical strength and low density, which render them highly attractive for the design of biomaterials for orthopaedic applications. Firstly, the biocompatibility of MWCNTs was studied, in terms of hMSCs cytotoxicity, morphology, proliferation, differentiation, cytoskeleton organization and toxicity. The substrate of MWCNTs favored cell spreading, increased proliferation and promoted cell differentiation, as measured by the expression of alkaline phosphatase, osteopontin and osteocalcin. The gene expression of integrin receptors responsible for cell attachment on MWCNTs was studied. Using the Spinning Disc Technique, the attachment strength of hMSCs on MWCNTs was evaluated, as well as the impact of each integrin to the alteration of attachment strength. In order to investigate the cell response to mechanical loading, the attached cells on MWCNTs were stressed for 3 and 24 hours, using a system for mechanical loading based on the 4-point bending principle. Results showed that loading positively induces the expression of genes associated with attachment and differentiation markers. Additionally, the cell behavior concerning proliferation, differentiation, cytoskeleton organization, apoptosis and gene expression associated with attachment, was studied on MWCNTs after surface modification with hydroxyl-, carboxyl-, and amino- groups. The findings indicated that the amino- modified surface significantly favored the cell behavior, compared to the other two surfaces. Lastly, the topography effect was studied using vertically aligned MWCNTs. Cell response was found better on the vertically compared to the randomly oriented, in terms of proliferation, differentiation and cytoskeleton organization. The findings of the study are promising for the future design of biomaterials of MWCNTs, aiming for application in therapies where bone reconstruction is demanded.

Electrospun nanofibers have been researched extensively in the culturing of stem cells to understand their behavior since electrospun fibers mimic the native extracellular matrix (ECM) in many types of mammalian tissues. Here, electrospun nanofibers with defined structure (orientation/alignment) and pore size could significantly modulate human mesenchymal stem cell (hMSC) behavior. Controlling the fiber membrane pore size was predominantly influenced by the duration of electrospinning, while the alignment of the fiber membrane was determined by parallel electrode collector design. Electric field simulation data provided information on the electrostatic interactions in this electrospinning apparatus.hMSCs on small-sized pores (~3-10 µm²) tended to promote the cytoplasmic retention of Yes-associated protein (YAP), while larger pores (~30-45 µm²) promoted the nuclear activation of YAP. hMSCs also displayed architecture-mediated behavior, as the cells aligned along with the fiber membranes orientation. Additionally, fiber membranes affected nuclear size and shape, indicating changes in cytoskeletal tension, which coincided with YAP activity. The mechanistic understanding of hMSC behavior on defined nanofiber structures seeks to advance their translation into more clinical settings and increase biomanufacturing efficiencies.