Le développement de matériaux biocompatibles permettant la vectorisation de principes actifs est particulièrement souhaitable dans le cadre de la réparation osseuse liée à certaines pathologies. Dans la première partie de ce mémoire, nous décrivons la synthèse et la caractérisation de verres de phosphates de calcium dopés avec du gallium qui est un agent inhibiteur de la résorption osseuse. Les modifications du réseau phosphate sont étudiées par RMN du 31P et les différents environnements locaux du Ga3+ sont mis en évidence par RMN du 71Ga en utilisant des conditions expérimentales spécifiques (très haut champ magnétique de 20T et rotation de l’échantillon ultra-rapide). Le comportement en solution de ces verres a été étudié par RMN et par ICP-AES. Les résultats obtenus indiquent qu’ils sont soumis à une dissolution quasi-congruente et que l’ajout de Ga3+ augmente leur durabilité chimique. La seconde partie de ce travail est dédiée à l’étude d’un verre bioactif utilisé en chirurgie réparatrice osseuse : le Bioglass® 45S5 (système SiO2-CaO-Na2O-P2O5). L’utilisation d’expériences RMN de double résonance a permis d’apporter des éléments de réponse sur le type d’association entre les groupements phosphates et le réseau silicate. Après immersion de ce verre dans un fluide physiologique simulé (SBF), un suivi quantitatif des espèces, initiales et formées à la surface du verre, a été réalisé par RMN. Les résultats obtenus par RMN et par d’autres techniques de caractérisation montrent que l’hydroxyapatite carbonatée se formant en surface du verre présente de grandes similitudes avec les apatites biologiques. / The development of biocompatible materials allowing the local delivery of specific drugs is of high interest to repair pathological bone defects. The first part of this manuscript describes the synthesis and the characterisation of calcium phosphates glasses doped with gallium, which is a bone resorption inhibitor. The nature of the phosphate network is probed by 31P NMR and the Ga3+ local environments are studied 71Ga NMR at very high magnetic field (20T) and ultra-fast spinning frequency. The leaching behaviour of these glasses is investigated by NMR and ICP-AES. The obtained results indicate that the glass dissolution is nearly congruent and that Ga3+ doping improves the chemical durability. The second part of this work is dedicated to the study of the Bioglass® 45S5 which is a bioactive glass (SiO2-CaO-Na2O-P2O5 glassy system) used in bone repair surgery. Double-resonance NMR experiments are used to obtain information about the association between the phosphate units and the silicate network. NMR analyses are also used to characterize quantitatively the various species formed at the glass surface after immersion into a simulated body fluid for varying periods. Results obtained from NMR and other characterization methods revealed that the carbonated hydroxyapatite formed at glass surface shows strong similarities with biological apatites.

L’ingénierie du tissu osseux est un domaine qui représente un enjeu majeur dans le cadre de la médecine régénératrice. Trois composants sont généralement décrits dans le cadre de l’ingénierie tissulaire : un biomatériau pour pallier le volume de tissu défectueux, une source de cellules progénitrices qui seront responsables de la synthèse des composants tissulaires ainsi que des facteurs de croissance ou des signaux issus des propriétés physico-chimiques du biomatériau afin de guider la prolifération et la différenciation cellulaire. Le but de cette étude a été de synthétiser des substrats phospho-calciques à l’aide de la technique de pulvérisation simultanée d’espèces réactives et de caractériser les différentes propriétés physico-chimiques des substrats obtenus. Nous avons pu démontrer la possibilité d’inclure des molécules organiques (chitosane et acide hyaluronique) à la phase minérale avec cette technique. Nous avons aussi montré la possibilité de faire varier des propriétés telles la rugosité (entre 300 et 700 nm), l’élasticité (entre 2 à 6 GPa), la composition chimique (phosphate octacalcique ou phosphate dicalcique dihydraté) et la bioactivité (précipitation des phosphates de calcium à la surface des substrats) avec la technique de pulvérisation. Par ailleurs, des cellules souches issues de la gelée de Wharton de cordons ombilicaux humains ont été isolées, puis caractérisées sur le plan génique et protéique. Ces cellules étant candidates pour l’utilisation en ingénierie tissulaire osseuse, nous nous sommes intéressés à plusieurs types de marqueurs dont les marqueurs mésenchymateux et les cytokines immuno-modulatrices.La dernière partie de cette thèse a concerné l’association des cellules souches isolées à partir de la gelée de Wharton aux substrats phospho-calciques obtenus à l’aide de la technique de pulvérisation. Nous avons pu démontrer que les cellules adhéraient sur ces substrats et s’organisaient en structures nodulaires au sein desquelles a été observée une couche de cellules sécrétrices entourant des fibres de collagène, des formations cristallines faîtes de phosphates de calcium et des cellules dont la morphologie rappelait celle des ostéocytes. Des variations dans l’expression de marqueurs ostéoblastiques ont aussi été observées, et ce en l’absence de facteurs solubles ostéogéniques dans le milieu de culture. En conclusion, les substrats phospho-calciques obtenus avec la technique de pulvérisation sont capables d’induire la différenciation de cellules souches issues du cordon ombilical en ostéoblastes. Ce modèle se révèle être prometteur pour la mise en place de thérapies en vue de la régénération du tissu osseux. / Bone tissue engineering is a major issue within regenerative medicine. There are three main components in the field of tissue engineering: a scaffold providing a structure for tissue development, a source of stem cells for tissue formation and growth factors or physical stimuli from the biomaterial to direct growth and differentiation of cells. The purpose of this study was to synthesize calcium phosphate substrates by simultaneous spraying of interacting species and to carry out the physico-chemical characterization of the built substrates. We showed that the spraying technique allows the inclusion of organic molecules such as chitosan and hyaluronic acid. The spraying technique allows several physio-chemical characteristics to be varied, rugosity (300 – 700 nm), elasticity (2 – 6 GPa), chemical composition (octacalcium phosphate or dicalcium phosphate dehydrate), but also studied the bioactivity of the substrates (calcium phosphate from the culture medium precipitates at thesurface of the substrates). In another hand, our aim was to isolate stem cells from human umbilical cords’ Wharton’s Jelly and to carry out their genic and proteic characterization by focusing on mesenchymal markers and immunomodulating cytokines, knowing that these cells are candidates for a use in bone regeneration therapy.The last purpose of our study was to evaluate the potential of Wharton’s jelly stem cells to adhere and proliferate onto the sprayed substrates, and also the formation of nodules. The ultrastructural analysis of nodules formed by Wharton’s jelly stem cells showed a layer of secretory cells surrounding collagen fibers, calcium phosphate crystals and cells with a similar morphology to that of osteocytes. Osteoblastic markers appeared to be regulated in cells cultured without osteogenic supplements. To conclude, sprayed calcium phosphate substrates seem to induce osteoblastic differentiation of Wharton’s jelly stem cells through the substrate’s physico-chemical properties. Our model appears as promising for further bone regenerative therapies.

Ce travail s’inscrit dans le cadre général du développement de biomatériaux ostéoinducteurs pour la réparation de grands défauts osseux. L’étude est une contribution à la compréhension des interactions physiques et chimiques entre des céramiques phosphocalciques et deux protéines d’intérêt : la fibronectine, protéine d’adhésion cellulaire, et le VEGF (pour Vascular Endothelial Growth factor) qui est impliqué dans la vascularisation et l’amélioration de la formation osseuse.Les interactions physiques fibronectine/biocéramique ont été étudiées par spectroscopie de force afin d’évaluer l’influence de la topographie et de la composition chimique de céramiques phosphocalciques en hydroxyapatite (HA), hydroxyapatite silicatée (SiHA) et hydroxyapatite carbonatée (CHA) sur l’adhésion de la fibronectine. Les résultats obtenus par cartographie de forces mettent en évidence une absence d’incidence de la chimie des céramiques polies sur la répartition en surface et l’intensité des forces d’adhésion. En revanche ces dernières sont plus fortes au niveau des joints de grains des céramiques non polies mettant en avant une influence de la topographie de surface des matériaux modulée par la chimie.Le protocole de fonctionnalisation par le VEGF consiste en trois étapes : silanisation, addition du SM(PEG)6 et immobilisation du VEGF. Les interactions chimiques VEGF/biocéramique ont été étudiées principalement par imagerie Raman pour suivre ces étapes successives de la fonctionnalisation par le VEGF de céramiques polies en hydroxyapatite (HA) et hydroxyapatite carbonatée (CHA). Cette approche a permis de cartographier l’évolution chimique de la surface des matériaux et de mettre en évidence la distribution spatiale ainsi que les réactions préférentielles entre les molécules intermédiaires et le VEGF en fonction de la nature du substrat. / This work is ascribed within the framework of the development of osteoinductive biomaterials for the repair large bone defects. It is a contribution to the understanding of the physical and chemical interactions between phosphocalcic ceramics and two proteins of interest: fibronectin (Fn), a cell adhesion protein, and Vascular Endothelial Growth Factor (VEGF) which is involved in vascularisation and improvement of bone formation.Fibronectin/bioceramic physical interactions were studied by force spectroscopy to evaluate the influence of the topography and the chemical composition of phosphocalcic ceramics made of hydroxyapatite (HA), silicated hydroxyapatite (SiHA) and carbonated hydroxyapatite (CHA) on fibronectin adhesion. The results obtained in terms of force cartography do not indicate any impact of the polished ceramics chemistry on the surface distribution and intensity of adhesion forces. However, these forces are more intense at the level of the grain boundaries of unpolished ceramics, highlighting an influence of the topography modulated by the chemical composition.The protocol for functionalisation by VEGF consists of three steps: silanisation, addition of SM(PEG)6 and immobilisation of VEGF. VEGF/bioceramic chemical interactions were studied mainly by Raman imaging in order to follow the successive steps of the functionalisation by VEGF of the polished surface of ceramics made of hydroxyapatite (HA) and carbonated hydroxyapatite (CHA). This approach allowed to map the surface chemical changes and to point out the spatial distribution as well as the preferential reactions between the intermediate molecules and VEGF depending of the substrate.

Dans le domaine de la chirurgie orthopédique ou maxillo-faciale, les praticiens sont confrontés à des pertes de substance osseuse qui nécessitent l'utilisation de matériaux de comblement (ou de substitution). L'utilisation de biomatériaux synthétiques (dont la disponibilité est très importante) permet de limiter les réponses immunitaires. Dans ce travail nous nous intéressons à deux matériaux : les géopolymères et le carbonate de calcium synthétique sous forme d'aragonite pure. Dans le domaine des biomatériaux de comblement, l'optimisation du compromis entre le pourcentage de porosité et les propriétés mécaniques (voisines de celles de l'os spongieux) favorise l'ostéointégration et la tenue des implants. Cette observation nous a conduit à étudier des aluminosilicates de la famille des géopolymères définis par un rapport molaire Si/ Al = 21. Les aluminosilicates synthétisés ont été associés à des phosphates de calcium : hydroxyapatite (HA), phosphate tri-calcique (TCP) et biphasique. Après traitement thermique à 500°C, les géopolymères présentent des valeurs de pH voisines de 7 ainsi qu'un bon compromis porosité/ contrainte à la rupture (en compression). Pour le CaCO3, notre laboratoire de recherches a mis au point la synthèse du carbonate de calcium sous forme d'aragonite pure. Ces matériaux ont fait l'objet d'études in vitro et in vivo afin d'évaluer leur potentiel pour une utilisation comme biomatériaux. Les cinétiques de minéralisation des implants géopolymères et du biomatériau CaCO3 ont été étudiées par PIXE (Proton Induced X-Ray Emission) et par NAA (Neutron Activation Analysis). Les résultats obtenus pour le CaCO3 par ces deux méthodes montrent un comportement in vivo similaire à celui d'un TCP utilisé comme référence (travail réalisé avec l'aide de l'ANVAR Bretagne). Les premières études in vivo réalisées sur les géopolymères ont montré que ces derniers sont ostéointégrés. Dès le délai de 1 mois, les porosités externes des implants sont colonisées par de l'os néoformé. La cicatrisation en surface des matériaux est totale à 3 mois. Les analyses par PIXE des implants confirment la consolidation de l'interface dès le délai de 1 mois.