Au cours de 15 dernières années, les maladies coronariennes et les accidents vasculaires cérébraux demeurent les causes principales de décès dans le monde. Selon l'Organisation Mondiale de la Santé, en 2015, ces deux maladies ont causé 15 millions des décès sur les 56,4 millions dans le monde. Des traitements chirurgicaux ont été élaborés et améliorés pour soigner ces maladies en maintenant les vaisseaux sanguins ouverts. Parmi les traitements chirurgicaux, l'angioplastie avec utilisation d’un stent est le traitement le plus populaire et le moins invasif. Les stents, qui sont des tubes métalliques en treillis, vont soutenir mécaniquement les vaisseaux sanguins après l’implantation et les maintenir ouverts pour améliorer le flux sanguin. Ceux-ci sont principalement composés d’acier inoxydable AISI316L (SS316L), d'alliage de cobalt-chrome et d'alliage de titane. Depuis plus d'un demi-siècle, lorsqu'un stent a été implanté pour la première fois, ils ont été considérablement améliorés. Cependant, la libération d'ions métalliques, potentiellement toxiques, et la détérioration des propriétés mécaniques à cause de la corrosion ainsi que la diminution de l'adhérence des revêtements, dans le cas de stents avec les revêtements en polymère, constituent encore des préoccupations majeures lors de l’utilisation des stents. Dans le cas des stents en SS316L, afin d’éviter la libération d'ions métalliques, au laboratoire de biomatériaux et de bioingénierie de l'Université Laval (LBB), lors de précédentes recherches, un revêtement fluorocarboné (CFx) a été étudié pour isoler complètement le stent de l'environnement biologique. Ce revêtement permet également le greffage ultérieur de molécules bioactives pour améliorer son intégration dans le corps. Cependant, l'interface de SS316L / CFx devait être améliorée pour augmenter l’adhésion du revêtement CFx sur le SS316L. Dans mon projet de doctorat, l’oxydation au plasma a été utilisé pour élaborer une nouvelle interface entre le substrat SS316L et le revêtement. Les propriétés de cette nouvelle interface, qui est composée d’une couche d'oxyde, ont été modifiées en faisant varier les paramètres du procédé plasma afin de préserver les propriétés de cette couche d’oxyde lorsqu’elle subit une déformation plastique de 25%, c’est-à-dire le pourcentage de déformation maximale que subira le stent lors de son implantation. Cette interface a permis de diminuer la libération des ions du substrat SS316L en réduisant son taux de corrosion plus que trois fois et d’améliorer l’adhérence adéquate du revêtement CFx sur le substrat, après déformation et après immersion dans une solution aqueuse saline. La nouvelle couche d'oxyde sur SS316L est une couche d'oxyde amorphe avec une épaisseur d'environ 6 nm qui se distincte bien de la microstructure polycristalline du substrat. L'amélioration des propriétés de l'interface a été attribuée à cette couche d'oxyde amorphe nano-épaisse, qui est résistante aux déformations plastiques. Cette couche d'oxyde peut être appliquée sur des stents métalliques nus composés de métaux passivables. En outre, elle crée une interface favorable pour les revêtements en polymère, qui sont utilisés pour les stents à relargage de principes actifs ainsi que pour améliorer l'intégration des stents dans le corps humain. / Over the past 15 years, ischemic heart disease and stroke have remained the leading causes of death, worldwide. According to the World Health Organization, 15 million of the 56.4 million global deaths, in 2015, were caused only by ischemic heart disease or stroke. For the treatment of these diseases, surgical treatments have been introduced and improved to hold the blood vessels open. Among the surgical treatments, angioplasty with stenting is the most popular and the least invasive treatments. Stents, which are wire mesh tubes, prepare a mechanical support for blood vessels and hold them open to restore the blood flow. They are mostly made up of AISI316L stainless steel (SS316L), cobalt-chromium, and titanium alloys. More than half a century ago, when a stent first used, it has considerably evolved. However, release of potentially-toxic metallic ions and deterioration of mechanical properties due to corrosion, and decrease of polymeric coatings adhesion, in case of coated stents, still constitute major concerns in SS316L stents. In the case of SS316L stents, to circumvent the release of metallic ions, in the laboratory for biomaterials and bioengineering of Université Laval (LBB), a fluorocarbon (CFx) coating was previously investigated to isolate the stent completely from the biological environment. The coating also enables subsequent grafting of bioactive molecules to improve its integration in the body. The results were promising; however, the interface of SS316L/CFx needed to be modified to improve the adhesion of the CFx coating. In this Ph.D. research project, a new interface between the SS316L substrate and the CFx coating was created by plasma oxidation. The properties of this new interface, which was an oxide layer, was modified by varying the plasma-process parameters in order to preserve its properties after a 25% plastic deformation. This deformation is the maximum plastic deformation that imposes on a stent during its implantation. The new interface decreased the release of ions by decreasing the corrosion rate of the SS316L substrate by a factor of three. It was also found that the new interface produced an adequate adhesion of the CFx coating to the substrate after deformation as well as after immersion in an aqueous saline solution. The new oxide layer on SS316L was an amorphous oxide layer with an approximately 6 nm thickness, which was clearly distinguished from the polycrystalline microstructure of the substrate. The enhancement of the interface properties was ascribed to this nano-thick amorphous oxide layer, which was found to be more resistant to plastic deformation. This new oxide layer can be produced on bare-metal stents made of passivating metals. Moreover, it can create a favorable interface for coated stents, which have been used in drug-eluting stents, and also to improve stents integration in the human body.

Les maladies cardiovasculaires sont Lune des premières causes de mortalité en Amérique du Nord et est principalement due au vieillissement de la population. Il a été noté que 23 % de la population nord-américaine âgée de plus de 60 ans souffre d'une de ces maladies. Plusieurs remèdes permettant de remédier à ces maladies existent, dans un premier temps la prise de médicaments. Lorsque ces derniers ne sont plus efficaces, l'angioplastie ainsi que la pose de stents sont utilisées. Lorsque les fonctions de l'artère sont trop affectées, empêchant la circulation adéquate du sang, le remplacement de celleci par une prothèse est alors nécessaire. Malgré un taux de succès élevé pour les prothèses de plus de 6 mm de diamètre, le taux d'échec dans les 10 ans suivant l'implantation d'une prothèse en Téflon de moins de 6 mm de diamètre reste néanmoins de 66 %. Ce phénomène s'explique par la formation de thrombose et l'hyperplasie intimale. L'approche développée dans ce travail consistait donc à modifier la surface de ce polymère afin de favoriser la croissance des cellules endothéliales. En effet, sachant que ces cellules recouvrent naturellement la paroi des vaisseaux sanguins biologiques elles constituraient ainsi la surface hémocompatible par excellence. La stratégie développée au laboratoire était de conjuguer un peptide d'adhésion (RGD) et un peptide de prolifération (WQPPRARI) à la surface du polymère. Ces deux peptides ont été greffés suivant un modèle de patron en tirant profit des techniques d'impression et de pulvérisation développées au laboratoire. Dans le cadre de ce projet, le système de pulvérisation a été modifié, dans un premier temps, afin de traiter une plus grande superficie de surface car les tests biologiques nécessitaient des surfaces de 7 x 9 cm. La technologie consistait à pulvériser une solution de peptide RGD sous forme de gouttelettes de 10 um de diamètre avec un recouvrement de surface de 20 %, la surface non traitée était par la suite trempée dans la seconde solution peptidique soit : WQPPRARI. Une table x, y a été ajoutée au montage permettant ainsi de traiter uniformément de plus grandes surfaces. Les surfaces ainsi obtenues ont été évaluées quant à leur potentiel à promouvoir l'adhésion et la prolifération des cellules endothéliales humaines extraites de veines saphènes (HSVEC). Les expériences ont été effectuées in vitro autant en mode statique qu'en mode dynamique, afin de reproduire le plus possible les conditions d'un flux sanguin. Dans le cadre des études en mode statique, il a été observé que la présence de patron à la surface ne conduisait pas à une meilleure adhésion des cellules. Par contre, lors des tests en prolifération, il a clairement été démontré que le patron peptidique influençait la croissance cellulaire. Pour ce qui est des études en mode dynamique, l'attachement et la réorientation des cellules ont été observés. Une meilleure adhésion et une réorganisation cellulaire a été observée sur les surfaces patronnées. La micro structuration des surfaces de téflon avec les peptides RGD et WQPPRARI favorise donc une meilleure endothélialisation.

"Thèse en cotutelle présentée pour obtenir le grade de docteur de l'Université de Bordeaux et de l'Université Laval"--Page de titre / Les maladies cardiovasculaires sont l’une des principales causes de mortalité dans le monde, engendrant le décès de plus de 17 millions de personnes par an. Ce chiffre éloquent augmentera jusqu’à atteindre selon l’OMS 23,4 millions de décès en 2030. Ces maladies sont associées à un rétrécissement de la lumière des vaisseaux sanguins qui peut entrainer une occlusion partielle ou complète du vaisseau. Le traitement le plus souvent utilisé est un traitement chirurgical visant à créer un pont qui va contourner la section obstruée, ou une section lésée. Actuellement, les conduits les plus utilisés pour les greffes sont les vaisseaux autologues, à savoir la veine saphène ou l’artère thoracique interne. Seulement, ces substituts ne peuvent être utilisés en remplace ment que s ’ils sont sains. L’alternative aux vaisseaux autologue s est l’utilisation de substituts synthétiques. Compte tenu du manque de biocompatibilité de ces greffons synthétiques, après quelques années seulement, une thrombose peut apparaitre. Une des cause s e st l’absence de cellules endothéliales (CEs) dans la lumière du substitut. Le point clé réside ici dans la fabrication d’un matériau capable de fournir au CEs un environnement favorable à leur adhésion et leur prolifération pour permettre la génération d’un endothélium dans la lumière du substitut synthétique. In vivo, les cellules capables de coloniser de tels matériaux sont les cellules progénitrices endothéliales, ces cellules sont capables de se différencier en cellules endothéliales matures et possèdent une capacité de prolifération supérieure aux cellules matures. Elles sont capables de réparer les vaisseaux et pourront donc être ciblées afin d’être recrutées in situ et ainsi endothélialiser le biomatériau. C’est dans ce contexte que nous avons choisi de modifier de façon chimique la surface d’un matériau modèle, un film de polyéthylène téréphtalate avec quatre principes actifs innovants sélectionnés pour leur capacité à induire l’adhésion des cellules ou leur différentiation pour permettre la régénérat ion d’un endothélium à la surface du matériau. Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à concevoir et élaborer une méthode de fonctionnalisation homogène de ce polymère (par un lien covalent principe actif/matériau) par différents principes actifs avec une densité contrôlée et reproductible. Puis, ces principes actifs ont été disposés sous la forme de micro - patrons en surface du polymère par le biais de la technique de photolithographie. Ici, les peptides GRGDS et GHM ont été greffés pour améliorer l’adhésion des cellules, le dernier étant spécifique aux cellules endothéliales progénitrices. Le peptide SFLLRN et la sitagliptine ont été greffés pour induire ou accélérer la différenciation des EPCs en CEs matures. Toutes les surfaces ont été caractérisées pour valider le greffage covalent et connaitre la densité de molécules bioactives greffée. D’autre part avec une caractérisation approfondie des EPCs issues du sang de cordon ombilical, certains gènes et leur expression caractéristique des cellules souches et endothéliales ont été suivis par immunofluorescence et RT-qPCR pour déterminer leur état de différenciation. Ce travail n’aura été possible qu’après avoir déterminé quels gènes de références nous pouvions utiliser pour étudier le phénotype de trois types cellulaires à savoir, les cellules mononucléées CD34+, les EPCs et des CEs matures (extraites de la veine saphène). Finalement, ce projet de recherche a permis de mettre en évidence que certaines molécules bioactive s permettent d’améliorer l’adhésion de cellules mais peuvent aussi avoir un rôle pour accélérer ou retarder la différenciation des cellules. Aussi, la taille des micromotifs (micropatrons) a un impact sur l’expression de certains gènes spécifiques de la lignée endothéliale. En conclusion générale, ce projet prouve que la modification de surfaces des substituts avec des molécules bioactives est indispensable pour rendre le matériau attractif et pour régénérer un endothélium à la surface de celui-ci. Ce travail nous a aidé s à souligner l’importance de comprendre le comportement des EPCs et leur cinétique de différenciation pour leur utilisation en ingénierie vasculaire. / Cardiovascular disease is one of the leading causes of death in the world, killing more than 17 million people a year. This eloquent figure will increase to 23.4 million deaths in 2030, according to the WHO. These diseases are associated with a narrowing of the lumen of the blood vessels that may cause partial or complete occlusion of the vessel. The treatment most often used is a surgical treatment designed to create a bridge that will bypass the obstructed section or an injured section. Currently, the most used conduits for transplants are autologous vessels, namely the saphenous vein or the internal thoracic artery. Only these substitutes can only be used as a replacement if they are healthy. The alternative to autologous vessels is the use of synthetic substitutes. Due to a certain lack of biocompatibility of these synthetic grafts, after only a few years, a phenomenon of thrombosis sets in; the absence of endothelial cells (ECs) that cover the interior of t he substitute. The key point her e lies in the manufacture of a material capable of providing the ECs with a favorable environment for their adhesion and proliferation to allow the generation of an endothelium within a synthetic substitute. In vivo, cells capable of colonizing such materials are endothelial progenitor cells, these cells are capable of differentiating into mature endothelial cells and possess a higher proliferation capacity than mature cells. They are able to repair the vessels and can, therefore, be targeted to be recruited in situ and thus endothelialize the biomaterial. It is in this context that we have chosen to chemically modify the surface of a model material, a PET film with four innovative active ingredients selected for their ability to induce cell adhesion or differentiation to allow regeneration. an endothelium on the surface of the material. This project has initially made it possible to develop a protocol for grafting active ingredients covalently with a reproducible density and in a microstructured manner using photolithography. Here, the GRGDS and GHM peptides were grafted to enhance cell adhesion, the latter being specific to endothelial progenitor cells. The SFLLRN peptide and sitagliptin have been grafted to induce or accelerate the differentiation of EPCs into mature ECs. All surfaces have been characterized to validate covalent grafting and to know the density of grafted bioactive molecules. On the other hand, with a thorough characterization of EPCs from umbilical cord blood, some characteristic genes and proteins expression of stem and endothelial cells were followed by immunofluorescence and RT-qPCR to determine their state of differentiation. This work will have been possible only after determining which reference genes we could use to study the phenotype v of three cell types namely, CD34 + mononuclear cells, EPCs and mature ECs (saphenous vein extract). Finally, this research project has shown that some bioactive molecules can improve cell adhesion but can also have a role to accelerate or delay cell differentiation. Also, the size of the micropatterns has an impact on the expression of certain genes specific to the endothelial line age. As a general conclusion, this project proves that surface modification of substitutes wit h bioactive molecules is essential to make the material attractive and to regenerate an endothelium on the surface of it. This work has helped us emphasize the importance of understanding the behavior of EPCs and their kinetics of differentiation for their use in vascular engineering.