De nombreux traitements de surface (sablage, attaques acides…) ont été mis au point sur les implants dentaires afin de favoriser leur ostéointégration. Par ailleurs, depuis plusieurs années des revêtements à base de phosphates de calcium sont également développés dans le même but.L’objectif principal de la thèse est de mettre au point un procédé de revêtement à basse température afin de déposer à la surface de l’implant en titane une couche mince de phosphate de calcium, de structure et de composition analogue au minéral osseux en vue de favoriser l’ostéointégration. Il est aussi souhaité que ce revêtement présente des propriétés antibactériennes afin de lutter contre les infections post-opératoires. Dans un premier temps, un traitement de surface de l’implant en titane composé d’une étape de sablage et d’une attaque acide a été développé. Il permet d’obtenir une rugosité moyenne de surface comprise entre 1,4 et1,8 µm ainsi qu’une texture microporeuse et une mouillabilité de surface améliorée. Puis, les procédés de revêtement d’électrodéposition et d’immersions successives ont été étudiés. L’étapede centrifugation implémentée dans le procédé d’immersions successives s’est révélée cruciale et un revêtement d’environ 2 µm d’épaisseur composé d’apatite biomimétique a été obtenu. La composition et l’épaisseur du revêtement élaboré par électrodéposition est fortement influencée par la durée du dépôt. Ainsi une durée d’électrodéposition de 1 mn menée à un potentiel de -1,6V/ECS permet d’obtenir un revêtement d’environ 1,5 µm d’épaisseur composé d’une couche de phosphate octocalcique et de cristaux de brushite. Un test de vissage/dévissage dans une mâchoire artificielle a démontré la tenue mécanique des revêtements obtenus selon les deux procédés. Enfin, des ions antibactériens tels que l’argent, le cuivre ou le zinc ont été incorporésaux revêtements. Il a été démontré que des taux importants d’incorporation allant jusqu’à 40 %molaire par rapport au calcium peuvent être atteints pour le cuivre et le zinc. Des tests biologiques permettant d’évaluer l’effet de ces revêtements sur l’activité biologique de cellules mésenchymateuses humaines ainsi que sur la formation d’un biofilm (modèle de péri-implantite)en vue de la prévention des infections post-opératoires ont conduit à des résultats prometteurs pour le développement de tels revêtements bioactifs. Ces travaux de thèse s’inscrivent dans le cadre du projet BIOACTISURF, soutenu par la Région Midi-Pyrénées, et réalisé en collaboration avec le Laboratoire de Génie Chimique (LGC) ainsi qu’un partenaire industriel

Orientador: João Guilherme Padilha Filho / Banca: Paola Castro Morais / Banca: Patricia Popak Giordano / Banca: Delphim da Graça Macoris / Banca: Márcia Rita Fernandes Machado / Resumo: Objetivou-se nesta pesquisa estudar o comportamento e a bioatividade do cimento de alfa-fosfato tricalcico de dupla pega em artrodeses tarsocrurais. Utilizaram-se seis caes, adultos, macho ou femeas, sem raca definida, com idades entre dois e cinco anos e pesando entre 18 e 30 kg. Foram constituidos dois grupos com 3 animais cada: um grupo onde empregou-se o cimento de ¿-fosfato tricalcico de dupla pega (Grupo I) e outro utilizando osso esponjoso autogeno (Grupo II). A avaliacao radiografica ocorreu aos 30, 45, 60, 90 e 120 dias apos o procedimento cirurgico. Radiograficamente, a fusao dos ossos das articulacoes ocorreu em ambos os grupos apos o 30o dia, sem qualquer reacao adversa ou do tipo corpo estranho. A estabilidade das articulacoes foi satisfatoria com a utilizacao de fixadores esqueleticos externos. Histologicamente, aos 120 dias, observaram-se diferencas na maturidade das celulas osseas entre os dois grupos ocorrendo absorcao lenta e remodelacao da bioceramica (Grupo I). Relativamente a microscopia eletronica de varredura, foi observada formacao de osso novo diretamente na superficie da bioceramica, sem causar formacao de lacuna entre a interface osso-ceramica. O cimento de alfa-fosfato tricalcico de dupla pega demonstrou ter uma boa resistencia mecanica, propriedades de biocompatibilidade, crescimento osseo direto sobre a ceramica, osteoconducao e, ainda, ocorrencia de lenta absorcao quando comparado ao enxerto ósseo. / Abstract: The purpose of this research was to estuding the behaviour and bioactivity of the á-tricalcium phosphate cement double setting in tarsocrural arthrodesis. Therefore, six canines, both male and female adults mongrel dogs, aged between two and five years old and weighing between 12 and 18kg, were the objects of this study. They were vi divided into two groups with three animals each. On Group I á-tricalcium phosphate cement double setting was used. The Group II, also considered the control group, autogenous cancellous bone graft was used. The periods chosen for the radiographic analysis were 30, 45, 60, 90 and 120 days after surgery. Radiographyc bone fusions on the joints were observed on both groups after 30 days. The stabilization of the joints with external fixators proved to be very satisfactory. No reaction of foreigh body or infection process due to the material used was observed. The histological analysis performed after 120 days after surgery revealed differences in terms of the maturity of the bone cells between the two groups, showing slow absorption and remodelling of the bioceramic (Group I). In terms of the scanning electronic microscopy, bone growth was detected, right on the surface of the bioceramic, without causing gap formation on the bone-ceramic joint. The á-tricalcium phosphate cement double setting demonstrated to have a good mechanical resistance, bioacompatibility properties, direct bone growth on the ceramic and osteocondution and, still, the occurrence of slow absorption when compared to the bone graft. / Doutor

Ce mémoire porte sur l'élaboration et la caractérisation d'un matériau composite chitosane/phosphate de calcium destiné à une utilisation dans le domaine de la substitution osseuse. Le procédé d'atomisation-séchage a été choisi pour élaborer ce composite sous forme d'une poudre susceptible d'être transformée en revêtement ou objet 3D. Une étude préliminaire a permis d'appréhender les mécanismes de synthèse du phosphate de calcium, la phase minérale, par atomisation-séchage. Une suspension de particules d'hydroxyapatite stœchiométrique ou d'apatite biomimétique dispersées dans une solution acide mène systématiquement à l'apparition d'une phase amorphe. La proportion de cette phase amorphe dans la poudre atomisée-séchée est dépendante de la taille et de la cristallinité du matériau d'origine. L'atomisation séchage d'une solution acide contenant les ions précurseurs de calcium et phosphate mène à la formation d'une phase principalement amorphe. Cette poudre a pu être décrite à différentes échelles : à une échelle de l'ordre du nanomètre apparaissent des clusters, à une échelle de l'ordre de la centaine de nanomètres des agrégats sphériques de clusters organisés en chapelet tortueux et imbriqués sont identifiés et enfin à une échelle micrométrique des agglomérats de nanoparticules ont été mises en évidence. Le phosphate de calcium ainsi synthétisé possède un rapport molaire Ca/P proche de 1.3. Au-delà de ce rapport dans la solution à atomiser, de l'acétate de calcium (utilisé ici comme précurseur) recristallise dans la poudre. Pour élaborer la poudre composite, le polymère a été solubilisé et ajouté d'abord dans une suspension acide d'hydroxyapatite avant atomisation. Cette première stratégie mène à la formation d'un composite qui présente de fortes inhomogénéités de répartition des phases organiques et minérales. Pour limiter ce problème lié à la distribution de tailles de grains de la phase minérale, une seconde stratégie a été développée. Une solution de polymère contenant des précurseurs de phosphate de calcium a été préparée pour favoriser l'association à l'échelle nanométrique des deux phases. Après atomisation-séchage, un matériau composite présentant une très bonne dispersion de la phase minérale dans la matrice organique est synthétisé. La structuration de la phase minérale est modifiée par la présence du polymère. Cette modification se traduit par une diminution de la fraction volumique des clusters et, à l'échelle supérieure, la phase minérale n'est plus présente sous forme de chapelet mais en particules sphériques isolées. Par ailleurs, une interaction chimique est envisagée en raison des liaisons de type hydrogène, ioniques ou de coordinations possibles entre les deux phases. La présence du polymère inhibe également la formation de l'acétate de calcium cristallin en favorisant la formation d'un sel d'acétate de chitosane. Deux techniques de mises en forme ont été étudiées (MAPLE, pour l'élaboration de revêtements minces et l'impression 3D de pâte pour l'obtention d'objet massif) et ont permis de mettre en avant le potentiel de transformation de la poudre préparée par atomisation séchage. Les études biologiques faites sur le revêtement ont de plus permis de démontrer les propriétés antibactériennes du matériau utilisé. / This thesis deals with the development and characterization of a chitosan/calcium phosphate composite material for use in the field of bone substitution. The spray-drying method was chosen to develop this composite in the form of a powder that could be transformed into a coating or 3D object. A preliminary study made it possible to understand the mechanisms of synthesis of calcium phosphate, the mineral phase, by spray-drying. A suspension of stoichiometric hydroxyapatite particles or biomimetic apatite dispersed in an acidic solution systematically leads to the appearance of an amorphous phase. The proportion of this amorphous phase in the spray-dried powder is dependent on the size and crystallinity of the original material. The spray drying of an acidic solution containing the precursor ions of calcium and phosphate leads to the formation of a mainly amorphous phase. This powder could be described at different scales: on a scale of about one nanometer appear clusters, on a scale of about one hundred nanometers spherical aggregates of clusters organized into tortuous and nested chaplets are identified and finally on a micrometric scale, agglomerates of nanoparticles were highlighted. The calcium phosphate thus synthesized has a molar ratio Ca/P close to 1.3. Beyond this ratio in the solution to be atomized, calcium acetate (used here as a precursor) recrystallizes in the powder. To develop the composite powder, the polymer was solubilized and added first into an acid suspension of hydroxyapatite before atomization. This first strategy leads to the formation of a composite that has strong in homogeneities in the distribution of organic and inorganic phases. To limit this problem related to the grain size distribution of the mineral phase, a second strategy has been developed. A polymer solution containing calcium phosphate precursors has been prepared to promote nanoscale association of the two phases. After spray-drying, a composite material having a very good dispersion of the mineral phase in the organic matrix is synthesized. The structuring of the mineral phase is modified by the presence of the polymer. This modification results in a reduction of the volume fraction of the clusters and, on the larger scale, the mineral phase is no longer present in the form of a string but in isolated spherical particles. Moreover, a chemical interaction is envisaged because of the hydrogen, ionic or possible coordination bonds between the two phases. The presence of the polymer also inhibits the formation of crystalline calcium acetate by promoting the formation of a salt of chitosan acetate. Two shaping techniques were studied (MAPLE, for the elaboration of thin coatings and the 3D printing of dough for obtaining massive objects) and made it possible to highlight the transformation potential of the prepared powder by spray drying. The biological studies made on the coating have also demonstrated the antibacterial properties of the material used.

Understanding, and ultimately, predicting the degradation of bioresorbable composites made of biodegradable polyesters and calcium-based ceramics is paramount in order to fully unlock the potential of these materials, which are heavily used in orthopaedic applications and also being considered for stents. A modelling framework which characterises the degradation of bioresorbable composites was generated by generalising a computational model previously reported in literature. The framework uses mathematical expressions to represent the interwoven phenomena present during degradation. Three ceramic-specific models were then created by particularising the framework for three common calcium-based fillers, namely tricalcium phosphate (TCP), hydroxyapatite (HA) and calcium carbonate (CC). In these models, the degradation of a bioresorbable composite is described with four parameters: the non-catalytic and auto-catalytic polymer degradation rates, $k_1$ and $k_2'$ respectively and the ceramic dissolution rate and exponent, $A_\text{d}$ and $\theta$ respectively. A comprehensive data mining exercise was carried out by surveying the existing literature in order to obtain quantitative degradation data for bioresorbable composites containing TCP, HA and CC. This resulted in a database with a variety of case studies. Subsequently, each case study was analysed using the corresponding ceramic-specific model returning a set of values for the four degradation constants. Both cases with agreement and disagreement between model prediction and experimental data were studied. 76% of the 107 analysed case studies displayed the expected behaviour. In general terms, the analysis of the harvested data with the models showed that a wide range of degradation behaviours can be attained using different polymeric matrix - ceramic filler combinations. Furthermore, the existence of discrepancies in degradation behaviour between a priori similar bioresorbable composites became apparent, highlighting the high number of hidden factors affecting composite degradation such as polymer tacticity or ceramic impurities. The analysis of the case studies also highlighted that the ceramic dissolution rate needed to depict the portrayed degradation behaviours is significantly higher than that reported for ceramics alone in dissolution studies under physiological conditions, indicating that studies of the filler elements alone do not provide a complete picture. Lastly, the computational analysis provided insight into the complex influence of factors such as sample porosity and degradation protocol in the degradation behaviour. In addition to the computational analysis of literature data, an experimental degradation study was carried out with nanocomposites made of calcium carbonate and poly(D,L-lactide-co-glycolide). This study showed the existence of a clear buering effect with the addition of the ceramic filler and confirmed the assumptions employed in the modelling framework in this particular bioresorbable composite. The detailed nature and modest size of these data enabled a more precise and thorough analysis using the CC composites degradation model. In summary, the modelling framework is able to capture the main degradation behaviour of bioresorbable composites and also point to factors responsible for dissimilar behaviours. The degradation maps generated with the values of $k_1$, $k_2'$, $A_\text{d}$ and $\theta$ output by the models appear to be a good tool to summarise, classify and facilitate the analysis and search of specific bioresorbable composites.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:31:08Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2007-03-28Bitstream added on 2014-06-13T20:21:57Z : No. of bitstreams: 1 doreaneto_fa_dr_jabo.pdf: 1608125 bytes, checksum: 3f4786116d52404397afbb4ba51cd232 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Objetivou-se nesta pesquisa estudar o comportamento e a bioatividade do cimento de alfa-fosfato tricalcico de dupla pega em artrodeses tarsocrurais. Utilizaram-se seis caes, adultos, macho ou femeas, sem raca definida, com idades entre dois e cinco anos e pesando entre 18 e 30 kg. Foram constituidos dois grupos com 3 animais cada: um grupo onde empregou-se o cimento de ¿-fosfato tricalcico de dupla pega (Grupo I) e outro utilizando osso esponjoso autogeno (Grupo II). A avaliacao radiografica ocorreu aos 30, 45, 60, 90 e 120 dias apos o procedimento cirurgico. Radiograficamente, a fusao dos ossos das articulacoes ocorreu em ambos os grupos apos o 30o dia, sem qualquer reacao adversa ou do tipo corpo estranho. A estabilidade das articulacoes foi satisfatoria com a utilizacao de fixadores esqueleticos externos. Histologicamente, aos 120 dias, observaram-se diferencas na maturidade das celulas osseas entre os dois grupos ocorrendo absorcao lenta e remodelacao da bioceramica (Grupo I). Relativamente a microscopia eletronica de varredura, foi observada formacao de osso novo diretamente na superficie da bioceramica, sem causar formacao de lacuna entre a interface osso-ceramica. O cimento de alfa-fosfato tricalcico de dupla pega demonstrou ter uma boa resistencia mecanica, propriedades de biocompatibilidade, crescimento osseo direto sobre a ceramica, osteoconducao e, ainda, ocorrencia de lenta absorcao quando comparado ao enxerto ósseo. / The purpose of this research was to estuding the behaviour and bioactivity of the á-tricalcium phosphate cement double setting in tarsocrural arthrodesis. Therefore, six canines, both male and female adults mongrel dogs, aged between two and five years old and weighing between 12 and 18kg, were the objects of this study. They were vi divided into two groups with three animals each. On Group I á-tricalcium phosphate cement double setting was used. The Group II, also considered the control group, autogenous cancellous bone graft was used. The periods chosen for the radiographic analysis were 30, 45, 60, 90 and 120 days after surgery. Radiographyc bone fusions on the joints were observed on both groups after 30 days. The stabilization of the joints with external fixators proved to be very satisfactory. No reaction of foreigh body or infection process due to the material used was observed. The histological analysis performed after 120 days after surgery revealed differences in terms of the maturity of the bone cells between the two groups, showing slow absorption and remodelling of the bioceramic (Group I). In terms of the scanning electronic microscopy, bone growth was detected, right on the surface of the bioceramic, without causing gap formation on the bone-ceramic joint. The á-tricalcium phosphate cement double setting demonstrated to have a good mechanical resistance, bioacompatibility properties, direct bone growth on the ceramic and osteocondution and, still, the occurrence of slow absorption when compared to the bone graft.

Les infections nosocomiales post-opératoires en sites osseux posent un problème majeur de santé publique. L'utilisation de biocéramiques bioactives et résorbables qui présenteraient des propriétés antibactériennes apparaît comme une des solutions les plus prometteuses pour lutter contre l'invasion de micro-organismes au niveau du site opératoire. Les apatites nanocristallines biomimétiques se révèlent être des candidats de choix pour ces applications en raison de leur similitude avec le minéral osseux et de leur forte réactivité de surface. Cependant, elles ne possèdent pas de propriétés antibactériennes intrinsèques, ce qui peut potentiellement être amené par un dopage ionique approprié. Dans ce contexte, ce travail traite de la synthèse et de la caractérisation physico-chimique d'apatites biomimétiques enrichies avec des cations zinc (Zn2+), cuivre (Cu2+) ou argent (Ag+) ou avec des anions oxygénés de type peroxydes qui présenteraient ces facultés antimicrobiennes ; puis sur l'évaluation préliminaire de leurs propriétés (micro)biologiques. Dans un premier temps, l'étude de systèmes apatitiques non dopés a indiqué qu'à l'instar du minéral osseux les apatites nanocristallines présentaient des cristaux de dimensions nanométriques dont la composition chimique s'éloignait de la stoechiométrie et exposant des environnements ioniques non-apatitiques hydratés en surface des nanocristaux. L'influence des paramètres de synthèse a été évaluée et révèle que le temps de maturation, la température, le pH et la nature des sels de phosphate impactent significativement les caractéristiques physico-chimiques de ces composés. Nous montrons également que les conditions de post-traitement (ré-immersion, traitement thermique, mise en forme) peuvent aussi modifier significativement les caractéristiques finales des biocéramiques. Dans un second temps, ce travail a révélé que l'enrichissement d'apatites nanocristallines avec des ions Zn2+, Cu2+, Ag+ ou des espèces oxygénées était possible – avec des taux de dopage limites qui ont été évalués – mais générait des modifications physico-chimiques notables en particulier en termes d'état de cristallinité et de teneur en environnements chimiques non-apatitiques. Le zinc et le cuivre engendrent des effets similaires et semblent agir en tant qu'inhibiteur de croissance cristalline. L'argent, bien que monovalent, ne modifie pas significativement les processus de formation et de croissance des nanocristaux d'apatites. En revanche, la présence de peroxyde d'hydrogène dans le milieu réactionnel conduit à la formation d'apatite dont l'état de cristallinité est augmenté. Le choix de paramètres de synthèse adéquats, influençant notablement les mécanismes d'incorporation des ions, s'est avéré déterminant pour l'obtention d'apatites nanocristallines monophasées et dopées. Des tests biologiques préliminaires ont été réalisés pour évaluer la cytotoxicité de ces composés et le comportement de cellules ostéogéniques (de types ostéoblastes et ostéoclastes). L'évaluation d'éventuelles propriétés antibactériennes a également fait l'objet de ce travail, dans le cadre d'une collaboration internationale. Parmi les formulations présentant des propriétés antibactériennes mesurées, les apatites biomimétiques enrichies en argent apparaissent au vu de ce travail comme les candidats les plus prometteurs pour conférer l'effet antibactérien nécessaire aux applications visées. / Hospital acquired infections in osseous sites are a major issue of public health. The use of bioactive and resorbable bioceramics that present antibacterial properties appears as one of the most promising solution against microorganisms invasion of the surgical site. Biomimetic nanocrystalline apatites belong to the choice candidates for those applications thanks to their similarities with the bone mineral and their high surface reactivity. Nevertheless, they don't possess intrinsic antibacterial capacity, property that can be reached by a suitable ionic enrichment. In this context, this work deals with the synthesis and the physico-chemical characterization of such biomimetic nanocrystalline apatites doped with zinc (Zn2+), copper (Cu2+) or silver (Ag+) cations or with oxygenated anions like peroxides that would present antibacterial activity; then their (micro-)biological properties have also been studied. As a first part, study of apatitic non-doped systems shows that, as well as bone mineral, nanocrystalline apatites exhibit nano-sized crystals which chemical composition depart from stoichiometry and possess hydrated non-apatitic environments on their surface. The influence of synthesis parameters has been studied and reveals that maturation time in solution, temperature, pH or the nature of starting phosphate salts impact significantly the physico-chemical characteristics of those compounds. We also point out that post-treatment conditions (re-immersion, thermal treatment, forming) can significantly modify final characteristics of those bioceramics. As a second part, this work reveals that nanocrystalline apatites enrichment with Zn2+, Cu2+, Ag+ or oxygenated species seem to be possible – with maximal doping rates that were evaluated – but generate significant physico-chemical modifications, especially in terms of crystallinity state or non-apatitic chemical environments content. Zinc and copper act on a similar way on apatite compound and exhibit a crystal growth inhibitory role. Silver, even with a single positive charge, don't modify significantly the formation and the growth mechanisms of apatites nanocrystals. On the opposite, hydrogen peroxide presence in the synthesis media generates the formation of apatites which crystallinity state is improved. All of those results suggest that synthesis parameters are determining to obtain doped nanocrystalline apatites and that they influence notably the incorporation mechanisms of ions. Finally, preliminary biological tests have been realized in order to evaluate the cytotoxicity and the behavior of osteogenic cells (osteoblast and osteoclast type) in contact with those compounds. The evaluation of potential antibacterial properties is also discussed in this work as part of an international collaboration. Among formulations that exhibit measured antibacterial activity, silver doped biomimetic apatites appear as the most promising candidates to confer antibacterialness necessary for the envisaged applications.

Ce travail porte sur l’élaboration et la caractérisation physico-chimique de nanoparticules hybrides à base d’apatites phosphocalciques biomimétiques proches du minéral osseux, en vue d’applications dans le domaine du diagnostic de cancers voire de thérapeutique. Dans cette étude, une formulation colloïdale a été développée en milieu aqueux à partir de sels aisément manipulables et en présence d’un dérivé phospholipidique (2-aminoéthylphosphate, AEP) jouant le rôle d’agent dispersant et permettant de contrôler la taille moyenne des nanoparticules (dans la gamme 30-100 nm). L’effet de paramètres expérimentaux majeurs (pH, concentrations, température) a été déterminé. La complémentarité des données analytiques (analyses chimiques, spectroscopie FTIR, diffraction des rayons X, diffusion de la lumière, MET, mesures de potentiel zêta) nous a permis de proposer un modèle descriptif des nanoparticules colloïdales mettant en jeu la présence de complexes entre Ca2+ et AEP- en surface de nanocristaux d’apatite. La possibilité de conférer des propriétés de luminescence a été démontrée, par substitution d’ions Ca2+ par des ions europium Eu3+, et une durée de vie de luminescence de l’ordre de la milliseconde permet d’envisager l’étude de matériel biologique. Plus ponctuellement, l’adsorption additionnelle d’acide folique a été étudiée, avec pour objectif final le ciblage de cellules cancéreuses. Divers aspects liés à une potentielle utilisation dans le domaine biomédical ont également été abordés, tels que la purification de telles suspensions par dialyse, la possibilité d’une remise en suspension après lyophilisation, l’évaluation de leur cytotoxicité, l’étude de leur potentiel proinflammatoire par interaction avec des macrophages humains, et une étude préliminaire de l’internalisation de ces nanoparticules par des cellules cancéreuses. Ce travail a permis de développer une « preuve de concept » permettant d’envisager l’utilisation future de tels nano-systèmes colloïdaux dans le domaine biomédical, et en particulier en oncologie. / This work deals with the synthesis and physico-chemical characterization of hybrid nanoparticles based on biomimetic calcium phosphate apatites close to bone mineral, in view of applications in the field of cancer diagnosis, or therapeutics. In this study, a colloidal formulation has been developed in aqueous medium, from easily-handled salts and in the presence of a phospholipid moiety (2-aminoethylphosphate, AEP) acting as dispersing agent and allowing the control of the mean nanoparticle size (in the range 30-100 nm). The effect of major experimental parameters (pH, concentrations, temperature) has been determined. Complementary analytical data (chemical analyses, FTIR spectroscopy, XRD, dynamic light scattering, TEM, zeta potential measurements) enabled us to propose a descriptive model for the colloidal nanoparticles, involving the presence of complexes between Ca2+ and AEP- on the surface of apatite nanocrystals. The possibility to confer luminescence properties was demonstrated by way of ionic substitutions of some Ca2+ ions by europium Eu3+ ions, allowed us to envision the study of biological material. The additional adsorption of folic acid was also addressed, with the final aim to target cancer cell. Other aspects linked to a potential future use of these nano-systems in the biomedical field were also examined, such as the purification of these suspensions by dialysis, the possibility to resuspend the nanoparticles after freeze-drying, the evaluation of their cytotoxicity, the study of the pro-inflammatory potential by following interactions with human macrophages, and a preliminary study of their internalization by cancer cells. This work enabled us to develop a « proof of concept » allowing one to envision the future use of such colloidal nano-systems in the biomedical field, and in particular in oncology.

Ce travail porte sur la recherche et le développement d'un matériau de substitution osseuse permettant une implantation par chirurgie mini invasive, limitant les infections post-opératoires et dont la résorbabilité serait adaptée à la cinétique de régénération osseuse. Nous nous sommes intéressés à un ciment à base de carbonate et de phosphate de calcium (CaCO3 – CaP) dont la réaction de prise conduit à la formation d'une apatite nanocristalline analogue au minéral osseux. Dans une première partie la cinétique de prise et le produit de réaction ont été caractérisés par différentes techniques, notamment la diffraction des RX et les spectroscopies FTIR et RMN du solide. Un sel d'argent – Ag3PO4 ou AgNO3, choisis pour leurs propriétés antibactériennes – a été ensuite introduit dans la formulation. Son effet sur la cinétique de la réaction chimique de prise a été mis en évidence par traitement des spectres FTIR et RMN et un mécanisme réactionnel original impliquant les ions argent et nitrate dans la formation de l'apatite a été proposé. L'ajout d'un polysaccharide, la carboxyméthylcellulose (CMC), dans la phase solide du ciment a montré une très nette amélioration de l'injectabilité de la pâte, avec la disparition du phénomène de séparation des phases qui limite généralement l'injectabilité des ciments minéraux. La résistance à la compression et le module élastique des ciments composites ont été par ailleurs augmentés, parallèlement à une diminution de leur porosité. Différentes études in vitro en présence de cellules ou de bactéries ont enfin été réalisées et ont mis en évidence respectivement la cytocompatibilité des différentes compositions de ciments étudiées et le caractère antibactérien de ces matériaux à partir d'une certaine concentration en argent. L'implantation in vivo de compositions choisies a présenté des résultats très prometteurs quant à la résorbabilité d'un ciment composite CaCO3 - CaP/CMC/Ag et à la néoformation osseuse. / The present work concerns research and development of a material for bone substitution, enabling implantation through a mini-invasive surgery, limiting post-operative infections and whose resorbability is adapted to bone regeneration kinetics. This study focused on a calcium carbonate and phosphate based cement, whose setting reaction leads to the formation of a nanocrystalline apatite, similar to bone mineral. First, the setting kinetics and the reaction products were characterised using different techniques, especially X-ray diffraction and FTIR and solid-state NMR spectroscopies. A silver salt – Ag3PO4 or AgNO3, chosen for their antibacterial properties – was then introduced in the formulation. Its effect on the setting reaction kinetics was revealed by data processing of FTIR and NMR spectra and an original reaction mechanism which involves silver and nitrates in the formation of apatite was proposed. The addition of a polysaccharide, carboxymethylcellulose (CMC), in the solid phase of the cement showed a clear improvement of the injectability of the paste, preventing the occurrence of filter-pressing phenomenon, often limiting the injectability of mineral cements. The resistance to compressive strength and elastic modulus of the composite cement were also improved together with a decrease in their porosity. Different in vitro studies were carried out in the presence of cells or bacteria and demonstrated the cytocompatibility of different cement compositions and their antibacterial properties starting at a certain silver concentration, respectively. In vivo implantation of selected compositions showed promising results concerning resorbability of a composite CaCO3 - CaP/CMC/Ag cement and the associated bone neoformation.

De nombreux traitements de surface (sablage, attaques acides…) ont été mis au point sur les implants dentaires afin de favoriser leur ostéointégration. Par ailleurs, depuis plusieurs années des revêtements à base de phosphates de calcium sont également développés dans le même but.L’objectif principal de la thèse est de mettre au point un procédé de revêtement à basse température afin de déposer à la surface de l’implant en titane une couche mince de phosphate de calcium, de structure et de composition analogue au minéral osseux en vue de favoriser l’ostéointégration. Il est aussi souhaité que ce revêtement présente des propriétés antibactériennes afin de lutter contre les infections post-opératoires. Dans un premier temps, un traitement de surface de l’implant en titane composé d’une étape de sablage et d’une attaque acide a été développé. Il permet d’obtenir une rugosité moyenne de surface comprise entre 1,4 et1,8 µm ainsi qu’une texture microporeuse et une mouillabilité de surface améliorée. Puis, les procédés de revêtement d’électrodéposition et d’immersions successives ont été étudiés. L’étapede centrifugation implémentée dans le procédé d’immersions successives s’est révélée cruciale et un revêtement d’environ 2 µm d’épaisseur composé d’apatite biomimétique a été obtenu. La composition et l’épaisseur du revêtement élaboré par électrodéposition est fortement influencée par la durée du dépôt. Ainsi une durée d’électrodéposition de 1 mn menée à un potentiel de -1,6V/ECS permet d’obtenir un revêtement d’environ 1,5 µm d’épaisseur composé d’une couche de phosphate octocalcique et de cristaux de brushite. Un test de vissage/dévissage dans une mâchoire artificielle a démontré la tenue mécanique des revêtements obtenus selon les deux procédés. Enfin, des ions antibactériens tels que l’argent, le cuivre ou le zinc ont été incorporésaux revêtements. Il a été démontré que des taux importants d’incorporation allant jusqu’à 40 %molaire par rapport au calcium peuvent être atteints pour le cuivre et le zinc. Des tests biologiques permettant d’évaluer l’effet de ces revêtements sur l’activité biologique de cellules mésenchymateuses humaines ainsi que sur la formation d’un biofilm (modèle de péri-implantite)en vue de la prévention des infections post-opératoires ont conduit à des résultats prometteurs pour le développement de tels revêtements bioactifs. Ces travaux de thèse s’inscrivent dans le cadre du projet BIOACTISURF, soutenu par la Région Midi-Pyrénées, et réalisé en collaboration avec le Laboratoire de Génie Chimique (LGC) ainsi qu’un partenaire industriel / Numerous surface treatments have been developed in order to improve osseointegration of dentalimplants (sandblasting, acid etching…). Moreover, various strategies involving calcium phosphate coatings have emerged for the same target for a few decades. The main purpose of this work is todevelop a low temperature process allowing the deposition of a thin calcium phosphate layer at the titanium implant surface. The composition and structure of this calcium phosphate coating have to be close to the bone mineral to enable osseointegration improvement. Moreover, thecoating should have antibacterial properties in order to prevent post-operative infections. A surfacetreatment protocol composed of sandblasting and acid etching was firstly developed creating anaverage roughness of 1.4 – 1.8 µm with micropits and improved wettability. Secondly, two processes were studied to produce the calcium phosphate coating: the alternate soaking processand the electrodeposition. It was demonstrated that the centrifugation step implemented in thealternate soaking process is crucial and a coating of about 2 µm thick composed of biomimeticapatite was obtained. Among all the operating parameters of the electrodeposition process, time ofelectrodeposition has the major impact on the composition and the thickness of the coating. An electrodeposition of 1 mn at -1.6 V/SCE leads to a 1.5 µm thick coating composed of a layer ofoctacalcium phosphate and dicalcium phosphate dihydrate crystals. A screw/unscrew test demonstrated the mechanical stability of the coatings obtained by both processes. Finally,antibacterial ions such as silver, copper and zinc were incorporated in the coatings. Highincorporation rate up to 40 mol.% compared to calcium were determined for copper and zinc.Biological tests were conducted to qualify the effect of these coatings on the biological activity ofhuman mesenchymal cells and on the formation of a biofilm (peri-implantitis model) to preventpost-operative infections. They led to promising results for the development of such bioactivecoatings. This work is part of the BIOACTISURF project, supported by the Midi-Pyrénées Region,and carried out in collaboration with the Laboratory of Chemical Engineering (LGC) and an industrial partner

Ce travail concerne le développement d’un système de vectorisation nanoparticulaire pour l’interférence ARN, constituant une nouvelle proposition thérapeutique applicable à des pathologies virales ou tumorales, et possiblement complémentaire aux traitements existants. La vectorisation de siRNA est ici basée sur l’enrobage multicouche de nanoparticules de phosphate de calcium, la multicouche étant constituée de dépôts alternés de PEI modifié et de siRNA. Ce système permet d’obtenir une efficacité de transfection des cellulaires cibles supérieure à celle des procédés conventionnels et une rémanence fonctionnelle in vitro jusqu’à neuf jours. Les résultats d’interférence ARN obtenus ont permis notamment d’inhiber l’infection par le virus de l’hépatite C jusqu’à 99,95%, l’inhibition de l’expression d’une protéine intrinsèque jusqu’à90,5%, et le ralentissement de la croissance cellulaire dans un modèle 3D mimant une tumeur hépatique jusqu’à 46,5%. Ces nanoparticules pourraient présenter un intérêt majeur, en offrant une action à long terme et en résolvant la plupart des difficultés rencontrées en utilisant des siRNA en thérapie. / This work concerns the development of a nanoparticle vector system for RNA interference,constituting a new therapeutic option applicable to viral and tumor pathologies,and possibly complementary to existing treatments.siRNA vectorisation is here based on multi layer coating of alcium phosphate nanoparticles,the multi layer being constituted of alternate coatings of modified PEI and siRNA.This system triggers a better transfection efficiency of target cells than classic techniques,as well as a functional persistence up to 9 days in vitro.RNA interference results using CPnp allowed inhibition of hepatitis C virus infection up to 99.95%,of intrinsic protein expression up to 90.5%,and of cell growth in a 3 D model mimicking an hepatic tumor up to 46.5%.These nanoparticles could be of major interest,by offering a long term action,and resolving most of the issues found in the use of siRNA in therapy.