Résumé : L'un des problèmes les plus difficiles auquel les technologies liées aux nanomatériaux font face est l'impact qu'elles ont sur la santé humaine et l'environnement. Il est donc primordial d'étudier les effets toxicologiques de ces technologies dont l'utilisation est très répandue dans divers domaines d'application. Par conséquence, dans ce projet, la cytotoxicité des matériaux présents dans la synthèse de nanotubes de carbone mono-parois (SWCNTs) par plasma thermique inductif (des matières premières au produit final) a été évaluée. Tout d'abord, l'influence du procédé plasma thermique inductif sur les propriétés physico-chimiques et cytotoxiques des matières premières (les catalyseurs commerciaux Co, Ni, Y203, Mo et le noir de carbone) a été déterminée. Un effet cytotoxique plus important a ainsi été révélé pour le Co commercial. De plus, bien que le procédé de plasma affecte les propriétés physico-chimiques de chaque catalyseur, seule la cytotoxicité du Ni a augmenté. La comparaison des particules de Ni après traitement par plasma avec les nanoparticules de Ni commerciales, a révélé que ces particules ayant pourtant une surface similaire avaient des cytotoxicités différentes. De plus, la toxicité des catalyseurs n'était pas principalement due à la libération d'ions. Afin d'évaluer la capacité du procédé de plasma thermique inductif à synthétiser des SWCNTs de haute qualité en utilisant des catalyseurs non toxiques, les effets du type et de la quantité de trois mélanges de catalyseurs (Ni-Y203, Ni-Co-Y203, et Ni-Mo-Y203) sur la production de SWCNTs ont été examinés. Les calculs thermodynamiques, en phase gazeuse et dans la phase de solution liquide, ont également été réalisés. Les résultats ont montré que le type de catalyseur affecte la qualité des SWCNTs et une qualité similaire peut être produite lorsque la même quantité de Co a été remplacée par le Ni. L'influence des SWCNTs produits avec trois mélanges de catalyseurs sur le comportement des préostéoblastes marins MC3T3-E I a été évaluée. Les SWCNTs ont été ajoutés sur les cellules attachées ou les cellules ont été ensemencées sur des plaques recouvertes de SWCNTs. Les SWCNTs ajoutés sur les cellules attachées affectent considérablement la viabilité cellulaire. Toutefois, la viabilité des cellules ensemencées sur les SWCNTs a seulement légèrement diminué à 24 h, même pour celles ensemencées sur les SWCNTs produits avec Ni-Co-Y203. De plus, les cellules peuvent proliférer en présence des SWCNTs dans les 48 h. Ainsi, sauf perturbation mécanique membranaire, ces SWCNTs ne semblent pas induire de cytotoxicité sévère sur les préostéoblastes. Les SWCNTs ont donc été purifiés et leur influence sur la prolifération des préostéoblastes, l'activation de la voie des BMPs ou Smad et la différenciation ostéoblastiques induites par l'addition de BMP-2 et BMP-9 a été étudiée. Le prétraitement des cellules par des SWCNTs pendant 24 h a accéléré l'activation des Smad1/518 induite par les BMPs. Après 72 h d'incubation avec BMP-2 ou BMP-9, les préostéoblastes prétraités avec des SWCNTs exprimaient des gènes codant pour des marqueurs ostéogéniques comme ostérix et octéocalcine et présentaient une forte activité de la phosphatase alcaline. Fait intéressant, la BMP-9 a favorisé la différenciation des préostéoblastes prétraités avec les SWCNTs de manière plus importante que la BMP-2. Par conséquent, la combinaison de la BMP-9 avec les SWCNTs semble être une voie prometteuse pour ta régénération osseuse. // Abstract : One of the most challenging issues that the technologies related to nanomaterials face is the impact they have on human health and environment. It is therefore of great importance to investigate the toxicological impacts of these technologies prior to their widespread utilization in different fields of application. Therefore, in this study, the cytotoxicity of the materials present throughout the process of single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) synthesis by induction thermal plasma (from the feedstock materials to the final product) was evaluated. First of all, the influence of the induction thermal plasma process on the physico-chemical and cytotoxic properties of feedstock materials (i.e. commercial Co, Ni, Y203, Mo catalysts and carbon black) was investigated. The strongest cytotoxicity was observed for commercial Co compared to other catalysts. Although the thermal plasma process affected the properties of all catalysts, only the cytotoxicity of Ni was increased. Comparing the properties and cytotoxicity of the plasma treated Ni particles with commercial Ni nanoparticles revealed that the particles with similar surface area had different cytotoxicities. Plus, the observed cytotoxicity of the catalysts was not mainly due to the release of ions. In order to evaluate the capacity of the RF induction thermal plasma process to produce high quality SWCNTs using non-toxic catalysts, the effects of the type and quantity of three catalyst mixtures (Ni-Y203, Ni-Co-Y203, and Ni-Mo-Y203) on SWCNTs synthesis were examined. Thermodynamic calculations, in gas and particularly in liquid solution phases, were also performed. The results showed that catalyst type affected the quality of the SWCNT final product and similar quality SWCNTs was produced when the same amount of Co was replaced by Ni. Then, to investigate the cytotoxicity of the SWCNTs produced with the three catalyst mixtures, their effect was evaluated on the behavior of murine MC3T3-E1 preosteoblasts. Either SWCNTs were added on the attached cells or cells were seeded on the SWCNT-covered culture plates. SWCNTs which were added on the attached cells reduced cell viability drastically in a dose-dependent manner. However, the viability of the cells seeded on SWCNTs was only slightly decreased at 24 h, even on those produced with Ni-Co-Y203. Moreover, cells could proliferate within 48 h. Thus, except mechanical membrane disturbance, thermal plasma grown SWCNTs seemed to induce no severe cytotoxicity on MC3T3-El preosteoblasts. Consequently, SWCNTs were purified and their influence on the viability and proliferation of MC3T3-El preosteoblasts was determined. The impact of SWCNTs on Smad activation and cell differentiation induced by BMP-2 and BMP-9 was also studied. SWCNTs pm-treatment accelerated the Smadl/5/8 activation induced by both BMP-2 and BMP-9. It did not reduce the viability of preosteoblasts but slightly affected their proliferation at 48 h. Furthermore, after 72 h incubation with BMP-2 or BMP-9, preosteoblasts pm-treated with SWCNTs for 24 h could express genes encoding osteogenic markers such as osterix and osteocalcin and showed high alkaline phosphatase activity. Interestingly, BMP-9 favored the differentiation of preosteoblasts pre-treated with SWCNTs more remarkably than BMP-2. Therefore, combination of BMP-9 with SWCNTs seems to be a promising avenue for bone regeneration. [symboles non conformes]

L’Ostéogénèse Imparfaite (OI) est une maladie génétique dont une des conséquences est la fragilité accrue du squelette, lui valant ainsi le nom de « maladie des os de verre ». Il existe plusieurs phénotypes reflétant différents niveaux de sévérité, néanmoins certaines caractéristiques, comme une petite taille et des déformations des os longs, sont fréquemment observées en cas d’OI. Aujourd’hui peu de traitements existent et aucun n’est curatif. Avant d’espérer pouvoir en mettre un au point, il faut d’abord comprendre et quantifier les mécanismes impliqués et ces travaux de thèse s’inscrivent dans cette logique. L’objectif de ce travail de thèse est de déterminer les effets de la pathologie sur le tissu osseux aux échelles macroscopique et tissulaire. L’intérêt majeur de ce travail est de faire une étude comparative entre un groupe d’échantillons provenant d’enfants souffrant d’OI et un groupe contrôle composé d’échantillons provenant d’enfants sains. Nous les avons comparés en termes de propriétés mécaniques, structurales et chimiques via l’utilisation de diverses techniques, à savoir la tomographie RX haute résolution, la nanoindentation, la spectroscopie Raman, la microscopie électronique à balayage, la corrélation d’images et des essais de compression. Afin d’étudier l’impact de cette maladie sur le remodelage osseux, nous avons également comparé l’activité ostéoclastique sur ces deux types de substrat par interférométrie. Ce travail de thèse avait aussi pour but d’appliquer la méthode des champs virtuels pour identifier les modules élastiques des zones interstitielle et ostéonale du tissu osseux. Nous avons obtenu des informations importantes sur le fonctionnement de la maladie, notamment nous avons observé que la qualité du tissu, l’activité de remodelage et la microstructure étaient altérées en cas d’OI. Cette dégradation des os explique donc qu’ils puissent se déformer et se casser plus facilement. / Osteogenesis Imperfecta (OI) is a genetic disorder, also known as the “brittle bone disease”, associated with an increased bone fragility. Several phenotypes exist, reflecting different severities but some features are frequently observed like a reduced stature and long bone deformities. A few treatments are currently used but none of them is curative. To improve those treatments there is a need for a better understanding of the mechanisms involved. Therefore, the objective of this work is to investigate the effects of OI on the bone tissue at macroscopic and tissue scales. The main interest of this project is to perform a comparative study between a group of OI bones retrieved from children with OI and a group of control bones retrieved from healthy children. The mechanical, mineral and structural properties of those two groups were compared using high resolution computed tomography, nanoindentation, spectroscopy Raman, scanning electron microscopy, digital image correlation and compression testing. The osteoclast activity on those two types of substrates was compared by interferometry. Finally, the virtual fields method was applied to identify elastic moduli of interstitial and osteonal zones in bone tissue. The tissue quality, the remodeling activity and the microstructure were altered in OI, those modifications can explain the increased fragility of OI bones.

Les chirurgies de l'os mandibulaire peuvent modifier la position anatomique des disques et des condyles de l'articulation temporo-mandibulaire (ATM). Les modifications de contraintes qui en résultent peuvent être à l'origine d'une dislocation temporaire ou permanente du disque et peuvent provoquer des dysfonctionnements s'exprimant par des douleurs buccales et faciales. L'objectif de ce travail était de prévoir les modifications de contraintes dans l'articulation temporo-mandibulaire (ATM) après un protocole de distraction symphysaire mandibulaire (DS). Ce traitement chirurgical sert à traiter les encombrements dentaires de la mandibule.De manière à étudier l'impact d'une telle intervention au niveau de l'ATM, nous avons fait le choix de réaliser un modèle d'approche numérique de mastication par éléments finis. Les données géométriques ont été obtenues à partir de l'imagerie scanner et IRM d'un patient dont les composants de l'ATM ont été maillés. La chirurgie de distraction symphysaire a été réalisée sur le modèle avec un élargissement de 10 mm dans la région médiane de la mandibule. La géométrie et le maillage du cal osseux ont été reconstruits. Le cal osseux a été caractérisé par un module d'élasticité correspondant à l'os consolidé pour prédire l'effet biomécanique à long terme de la DS. Pour simuler une fermeture de la mâchoire, les conditions aux limites ont été appliquées au modèle sous la forme de vecteurs de force. Les champs de contraintes de von Mises dans les deux disques et condyles ont été analysés et comparés avant et après la DS. Contrairement aux approches habituellement menées, le modèle proposé est complet et ne contient pas de symétrie, de manière à mettre en évidence d'éventuelles asymétries dans la répartition des contraintes. La répartition des contraintes était proche dans les disques et sur les surfaces condyliennes dans les modèles avant et après distraction. Les résultats de cette étude suggèrent que les changements anatomiques des structures de l'ATM ne prédisposent pas à une fatigue des tissus. La DS n'exposerait donc pas au risque de dysfonction des ATM et de symptômes cliniques. / Mandibular surgery such as distraction osteogenesis can generate anatomical modifications in the temporomandibular joint (TMJ) discs. The resulting stress modifications can be at the origin of a temporary or permanent disc dislocation with degeneration and may cause severe oral and facial pain or masticatory dysfunctions. The aim of this work was to predict stress modification in the temporomandibular joint (TMJ) after mandibular symphyseal distraction (SD). This surgical procedure is used to resolve dental crowding on the mandibular dental arch.In order to study the potential impact of such a surgery on TMJ discs a three-dimensional finite element analysis of a complete mastication model was performed. Geometric data were obtained from MRI and CT scans of a healthy male patient and each component was meshed individually. The distraction was performed on the model with a 10 mm expansion after simulation of a surgical vertical osteotomy line in the mandibular midline region. The geometry and mesh of the bone callus were generated. The bone callus was modeled as a strengthened region characterized by a Young's modulus corresponding to consolidated bone to predict the long-term biomechanical effect of SD. Boundary conditions for jaw closing simulations were represented by different jaw muscle load directions. The von Mises stress distributions in both joint discs and condyles during closing conditions were analyzed and compared before and after SD. Contrary to usual analyses, no symmetry was used, and the whole mandible was analyzed in order to exhibit potential asymmetries. Stress distribution was similar in discs and on condylar surfaces in the pre- and post-distraction models. The outcomes of this study suggest that anatomical changes in TMJ structures should not predispose to long-term tissue fatigue and demonstrate the absence of clinical permanent TMJ symptoms after SD.

Les chirurgies de l'os mandibulaire peuvent modifier la position anatomique des disques et des condyles de l'articulation temporo-mandibulaire (ATM). Les modifications de contraintes qui en résultent peuvent être à l'origine d'une dislocation temporaire ou permanente du disque et peuvent provoquer des dysfonctionnements s'exprimant par des douleurs buccales et faciales. L'objectif de ce travail était de prévoir les modifications de contraintes dans l'articulation temporo-mandibulaire (ATM) après un protocole de distraction symphysaire mandibulaire (DS). Ce traitement chirurgical sert à traiter les encombrements dentaires de la mandibule.De manière à étudier l'impact d'une telle intervention au niveau de l'ATM, nous avons fait le choix de réaliser un modèle d'approche numérique de mastication par éléments finis. Les données géométriques ont été obtenues à partir de l'imagerie scanner et IRM d'un patient dont les composants de l'ATM ont été maillés. La chirurgie de distraction symphysaire a été réalisée sur le modèle avec un élargissement de 10 mm dans la région médiane de la mandibule. La géométrie et le maillage du cal osseux ont été reconstruits. Le cal osseux a été caractérisé par un module d'élasticité correspondant à l'os consolidé pour prédire l'effet biomécanique à long terme de la DS. Pour simuler une fermeture de la mâchoire, les conditions aux limites ont été appliquées au modèle sous la forme de vecteurs de force. Les champs de contraintes de von Mises dans les deux disques et condyles ont été analysés et comparés avant et après la DS. Contrairement aux approches habituellement menées, le modèle proposé est complet et ne contient pas de symétrie, de manière à mettre en évidence d'éventuelles asymétries dans la répartition des contraintes. La répartition des contraintes était proche dans les disques et sur les surfaces condyliennes dans les modèles avant et après distraction. Les résultats de cette étude suggèrent que les changements anatomiques des structures de l'ATM ne prédisposent pas à une fatigue des tissus. La DS n'exposerait donc pas au risque de dysfonction des ATM et de symptômes cliniques.

En impesanteur réelle ou simulée, l'absence de gravité oriente les cellules souches multipotentes de la moelle osseuse à privilégier l’adipogénèse aux dépens de l’ostéogénèse. Ceci entraine une perte osseuse fréquemment rencontrée chez les astronautes lors des vols spatiaux. Parmi les traitements médicamenteux existants, le strontium possède une double action, à la fois activatrice de l'ostéogénèse et inhibitrice de l’adipogénèse. Dans ce contexte, l’objectif général de ce projet de thèse a été de démontrer que le strontium peut être un bon candidat pour contrecarrer les effets de l'impesanteur. Nous nous sommes particulièrement intéressés aux petites protéines Rho de la famille des GTPases, qui contrôlent le cytosquelette de la cellule, sa tension cellulaire ainsi que de nombreuses voies de signalisation. D'après la littérature, ces signalisations ont aussi été montrées comme étant liées aux voies du VEGF ou au statut oxydant des cellules, impliquées dans l’engagement des cellules souches multipotentes. La première partie de cette étude a permis de montrer l’effet antioxydant du strontium sur la lignée C3H10T1/2 en tant qu’activateur de la GTPase RhoA, permettant l’induction du gène clé de la réponse antioxydante, Nrf2, et par conséquent l’inhibition de l’adipogénèse. La deuxième partie a utilisé comme modèle des cultures 3D sur microbilles de polystyrène recouvertes de collagène pour la culture d'adipocytes, avec l'ajout de minéraux d’apatite pour la culture d'ostéoblastes. Ces billes ont été mises en culture dans un bioréacteur simulant l’impesanteur (Rotating Wall Vessel, RWV, NASA). Sous strontium, cette culture en RWV a favorisé l’ostéogenèse et limité l’adipogénèse, validant l'utilisation du strontium en tant que répresseur des effets délétères de l'impesanteur sur l’os. Nous avons montré que cet effet peut être expliqué d'une part par la stimulation des activités des deux GTPases RhoA et Rac1, et d'autre part par l’induction de l’isoforme matricielle du VEGF chez les ostéoblastes. En revanche, chez les adipocytes, les deux formes solubles et matricielles du VEGF étaient inhibées. De plus, le strontium a induit l'expression du récepteur Flt-1 qui favoriserait l’ostéogénèse. L’ensemble de ces données nous a permis de mieux comprendre les cinétiques de RhoA et Rac1 pendant l’ostéoblastogénèse et l’adipogénèse, ainsi que le rôle important des voies de signalisation du VEGF et du statut oxydant dans l’orientation de la différenciation des cellules multipotentes. Le strontium s’est révélé être un bon inducteur ostéogénique dont les applications fondamentales peuvent amener de nouvelles voies d’utilisation / In real or simulated microgravity, the absence of gravity directs multipotent stem cells from bone marrow to favor adipogenesis at the expense of osteogenesis. This causes a bone loss, commonly found in astronauts during spaceflight. Among existing drug therapies, strontium has a double action, both activating osteogenesis and inhibiting adipogenesis. In this context, the general objective of this project was to demonstrate that strontium may be a good candidate to counteract the microgravity effects. We were particularly interested in small proteins Rho of the GTPases family, which control cell cytoskeleton, cell tension and many signaling pathways. According to the literature, these pathways were also shown to be related to the VEGF singaling or the cell oxidative status, involved in the multipotent stem cells commitment. The first part of this study demonstrated the strontium antioxidant effect on the C3H10T1/2 line as an activator of the GTPase RhoA, allowing the induction of the key antioxidant response gene, Nrf2, and therefore inhibiting adipogenesis. The second part used a 3D cultures model on polystyrene microbeads coated with collagen for the adipocytes culture, and with mineral apatite added for osteoblasts culture. These beads were cultivated in a bioreactor simulating microgravity (Rotating Wall Vessel, RWV, NASA). With strontium, this RWV culture promoted osteogenesis and limited adipogenesis, validating the use of strontium as a repressor of the microgravity deleterious effects on bone. We have shown that this effect can be explained first by the stimulation of both GTPases RhoA and Rac1 activities, and secondly by the induction of the matrix-bound VEGF isoform in osteoblasts. In contrast, in adipocytes, both soluble and matrix-bound VEGF isoforms were inhibited. Moreover, strontium induced Flt-1 receptor expression, which would promote osteogenesis. All these data allowed us to better understand the RhoA and Rac1 kinetics during osteoblastogenesis and adipogenesis, and the important role of VEGF signaling pathways and oxidative status in directing multipotent cells differentiation. Strontium was found to be a good osteogenic inductor whose core applications can bring new ways of use