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Les substituts osseux synthétiques servent au remplacement temporaire des tissus osseux, favorisent la formation, la croissance et la survie de l’os et sont biorésorbables. Aucun matériau monophasé ne remplissant complètement ces exigences, un matériau composite bioinspiré est une alternative possible. L’objectif de cette thèse était par conséquent d’étudier la synthèse et les propriétés de deux composites biocéramiques/biopolymères : des hydrogels physiques de chitosane minéralisés avec de l’apatite, et une hardystonite architecturée imprégnée par des hydrogels physiques de chitosane. Afin d’obtenir le premier matériau, deux approches ont été développées. La première a consisté à fabriquer des hydrogels physiques de chitosane puis à les minéraliser avec de l’apatite ; la formation de microcapillaires se produit avec des conditions de synthèse spécifiques, et les précipités d’apatite ont été trouvés uniquement à la surface des hydrogels. La seconde approche consiste à convertir des suspensions homogènes contenant le phosphate de calcium et le chitosane en hydrogels de chitosane minéralisés par l’apatite. Les suspensions ont été préparées soit avec un mélange simultané, soit avec des mélanges successifs de suspensions phosphates de calcium avec les solutions de chitosane. Des agrégats minéraux plus petits avec une distribution plus uniforme ont été formés avec la méthode des mélanges successifs. Cela est attribué à une meilleure homogénéité, une viscosité plus faible et l’absence de chitosane. De manière générale, trois paramètres influencent les propriétés mécaniques d’hydrogels de chitosane minéralisés : la base utilisée pour la gélification (déterminant la vitesse de gélification : une grande vitesse conserve l’enchevêtrement des chaînes, résultant en une meilleure élasticité) ; la densité de la réticulation physique (cela induit un module de conservation plus important) et la force ionique (qui mène au désenchevêtrement des chaînes de chitosane, donc, à un faible module de conservation). Cette compréhension a permis l’utilisation de ces suspensions de phosphate de calcium-chitosane en tant qu’encre pour l’impression 3D. Les hydrogels de chitosane et les hydrogels minéralisés ne sont pas cytotoxiques. Pour fabriquer le second matériau, une encre pré-céramique a été imprimée en 3D puis frittée pour former une céramique d’hardystonite cristalline. Les scaffolds d’hardystonite ont été imprégnés par la solution de chitosane, converties ensuite en hydrogels physiques de chitosane. A plus forte concentration de chitosane, la viscosité de la solution était plus grande et l’imprégnation de la matrice plus lente. Avec une vitesse de gélification plus importante, qui dépend de la base utilisée pour la gélification, la perte de poids est plus faible pendant la gélification. L’hydrogel de chitosane a partiellement rempli les pores participant au support de charges externes et à la dissipation d’énergie par rupture. / Bone substitutes, an approach to attend social demand for bone healing and reparation, are temporary replacements of bone tissue, promote bone formation and growth and finally are bioresorbed. No single material meets these requirements; an alternative is a bioinspired composite material. The objective of this thesis was thus to study the synthesis and properties of two bioceramics/biopolymer composites: chitosan physical hydrogels mineralized with apatite and hardystonite scaffolds impregnated with chitosan physical hydrogels. To obtain the first material, two strategies were developed. The first one consisted in the fabrication of chitosan physical hydrogels and its subsequent mineralization with apatite; the formation of micro-capillaries occurred under particular synthesis conditions, and apatite precipitates were found only on the surface of hydrogels. The second strategy consisted in a simultaneous conversion of chitosan-calcium phosphate suspensions into chitosan-apatite hydrogels. The suspensions were prepared by sequential or simultaneous mixing of calcium and phosphate suspensions with chitosan solutions. Smaller and more uniformly distributed mineral aggregates were formed following sequential mixing, attributed to higher homogeneity, lower viscosity and no-presence of chitosan. This enabled the use of these chitosan-calcium phosphate suspensions as inks for 3-D printing. In general, three factors impacted the mechanical properties of mineralized chitosan hydrogels: the base used for gelation (determining the gelation rate: a higher rate preserved chain entanglement, resulting in higher elasticity); the density of physical crosslinks (hence a higher storage modulus) and the ionic strength (that led to chitosan chain disentanglements, thus, low storage modulus). Chitosan hydrogels and mineralized hydrogels were not cytotoxic, having no deleterious effects on osteoblasts proliferation. To fabricate the second material, pre-ceramic ink was 3-D printed and then sintered to form crystalline hardystonite ceramic. Hardystonite scaffolds were impregnated with chitosan solution that was, next, converted to chitosan physical hydrogel. At higher chitosan concentration, viscosity of solution was higher and scaffold impregnation was lower. At higher gelation rate, which depend on base used for gelation, lower weight loss during gelation. Chitosan hydrogel partially filled the pores contributing to bearing of external loads and to energy dissipated by fracture.

L’objectif de ce travail de recherche est le développement d’un biomatériau original permettant la libération retardée de principes actifs afin de résoudre les problématiques de diffusion trop rapide ou incontrôlée souvent rencontrées avec les systèmes de délivrance classiques. Un assemblage « hybride » composé de liposomes incorporant le principe actif, eux-mêmes incorporés dans un hydrogel physique de chitosane a été mis au point dans le cadre de ce travail. Pour élaborer ce système, une suspension de liposomes préformés est ajoutée à une solution de chitosane avant sa gelification. Une caractérisation des différents composants ainsi qu’une optimisation de ce processus d’élaboration ont été effectuées au cours de cette thèse. Les propriétés de relargage ont été étudiées via l’incorporation d’une molécule hydrosoluble jouant le rôle de modèle de principe actif. La carboxyfluorescéine (CF), dosable par fluorescence, a permis de confirmer le concept de « relargage retardé » : la quantité de CF libérée au cours du temps est plus élevée lorsque cette dernière est directement incorporée dans l’hydrogel, par rapport au cas où elle est intégrée dans l’assemblage « hybride ». Sur la base de ces résultats, l’incorporation et le relargage de deux principes actifs, la rifampicine (RIF), un antibiotique à large spectre, et la lidocaïne, un anesthésique local anti-arythmique, ont également été étudiées. Ce travail a permis de confirmer les résultats obtenus pour la molécule modèle, à savoir un retard au relargage significatif pour les assemblages par rapport aux hydrogels sans liposome. Diverses caractérisations ont également été menées pour examiner les propriétés rhéologiques et la morphologie de ces assemblages. Ces résultats représentent une avancée intéressante pour la valorisation de tels assemblages « hybrides » dans le domaine biomédical, et mettent en évidence le rôle des liposomes en tant que « réservoirs » de principes actifs au sein même de ces assemblages. / This work deals with the development of an original biomaterial in view of its application as drug delayed-release device in biomedical area. To overcome classic issues that may be encountered with common drug delivery systems such as the “burst effect” or fast outside diffusion of drugs, a « hybrid » system composed of liposomes entrapped within a chitosan physical hydrogel was developed. Its elaboration process consists in the addition of a suspension of pre-formed phosphatidylcholine liposomes within a chitosan solution before gelation process. A characterization of different components of the system and an optimization of the elaboration process were achieved. The release properties were firstly investigated using a water-soluble fluorescent model molecule, carboxyfluorescein (CF). The concept of delayed-release was confirmed. Indeed, the release of CF, assayed by fluorescence spectroscopy, was found to be higher in the “drug-in-hydrogel” systems in comparison with the “drug-in-liposomes-in-hydrogels” ones. Based on these results, the release of two drugs, rifampicin (RIF), a broad spectrum antibiotic, and lidocaine (LID), a local anaesthetic and anti-arrhythmic drug, were also studied. This work corroborated the data obtained for the model molecule, that is to say a significant delayed release for « hybrid » systems in comparison to hydrogels without liposome. Various characterizations were carried out to examine rheological properties and morphologies of assemblies. These first results showed that such systems could be a step forward in drug delivery, and highlighted the use of liposomes as drug « reservoirs » within assemblies.

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