Jusqu'à il y a quelques années, chaque année, aux États-Unis, plus de 500 000 personnes devaient réparer leurs défauts osseux. Il a été prédit que le besoin de telles réparations doublerait aux États-Unis et dans le monde d'ici 2020. Les techniques de greffe osseuse sont couramment utilisées pour guérir de gros défauts osseux. Cependant, la greffe osseuse présente certains inconvénients tels que l'infection, la douleur, la morbidité et le manque de site donneur. L'échafaudage osseux est considéré comme une approche alternative pour guérir les défauts osseux sans complications liées à la greffe. Les échafaudages osseux sont considérés comme des implants temporaires, car après la formation de nouveaux tissus, leur présence n'est plus nécessaire. Des métaux poreux biodégradables (résorbables) ont été développés et étudiés en tant qu'échafaudages osseux temporaires. Ces structures poreuses fournissent un support mécanique et un espace biologique pour la régénération tissulaire. Ces implants se corrodent pendant le processus de régénération tissulaire et, idéalement, ils devraient disparaître une fois le processus de guérison terminé. Ainsi, aucune chirurgie secondaire pour les retirer ne serait nécessaire. Une tâche cruciale des échafaudages osseux résorbables est de fournir un support mécanique pour la formation de nouveaux tissus. Les échafaudages doivent conserver leur intégrité mécanique sans défaillance en raison des charges mécaniques appliquées à partir du milieu environnant. En revanche, en tant qu'implants orthopédiques, leur rigidité ne doit pas être supérieure à celle du tissu osseux environnant en raison du risque de stress shielding. Ainsi, la compréhension des facteurs influençant la réponse mécanique de l'échafaudage osseux lors de la dégradation et la prédiction de leurs propriétés mécaniques sont cruciales. La conception et la fabrication d'échafaudages résorbables sont un sujet d'intérêt pour les chercheurs. Des analyses détaillées qui expliquent les propriétés mécaniques post-corrosion des échafaudages métalliques résorbables en fonction de leurs caractéristiques architecturales post-corrosion font défaut dans la littérature. Ce projet de doctorat porte sur le comportement mécanique de la mousse de fer galvanisée à cellules ouvertes avec des entretoises creuses pour les applications d'échafaudage osseux. En particulier, les relations entre les propriétés structurales et mécaniques, les propriétés mécaniques après corrosion et les paramètres micro-architecturaux induits par la corrosion des mousses de fer ont été explorées. En outre, des modèles d'éléments finis idéalisés (mousse Kelvin) d'un témoin ainsi qu'un échantillon de mousse de fer corrodé ont été développés sur la base de mesures de tomographie micro-calculée et de modes de corrosion pour prédire la réponse mécanique post-corrosion de la mousse de fer (test in silico). La thèse comprend une introduction, trois chapitres contenant une revue approfondie de la littérature et les études menées pour le projet de doctorat, et une section Conclusion. Des données supplémentaires sur les études réalisées se trouvent en annexe. Dans l'introduction, un bref historique sur les échafaudages osseux, l'application de métaux poreux biodégradables (résorbables) dans les échafaudages, l'énoncé du problème, les objectifs de recherche, la stratégie de recherche et la nouveauté de cette recherche sont présentés. Le chapitre 1 contient une revue approfondie de la littérature sur les sujets pertinents au sujet de la thèse tels que l'application de métaux biodégradables comme implants temporaires, la fabrication et l'application de mousses métalliques résorbables comme échafaudages osseux ainsi que leurs propriétés mécaniques et de corrosion, temps de corrosion propriétés mécaniques dépendantes des échafaudages métalliques résorbables, approches de modélisation analytique et informatique pour prédire le comportement mécanique des mousses métalliques et modélisation informatique de la dégradation dans les métaux résorbables. Le chapitre 2 traite de la première étape du projet de doctorat qui était une étude sur les propriétés mécaniques des mousses de fer électrolytiques à cellules ouvertes avec entretoises creuses. Dans cette étude, des échantillons de mousses de fer aux propriétés architecturales différentes, c'est-à-dire la taille des alvéoles, l'épaisseur des branches et la taille des pores, ont subi des essais de compression mécanique et le rôle de leurs paramètres architecturaux ainsi que leur densité relative dans leurs différentes réponses à la compression (quasi-gradient élastique, élasticité et résistance à la compression) a été discuté. De plus, une modélisation par éléments finis des mousses Kelvin a été développée pour fournir une meilleure compréhension des effets de creux des entretoises sur les propriétés mécaniques de la mousse. Le chapitre couvre une introduction, la méthodologie, les résultats, la discussion et une section de conclusion. Le chapitre 3 traite des propriétés mécaniques post-corrosion et des configurations architecturales des mousses de fer à entretoises creuses. Les échantillons de mousse de fer ont subi des tests d'immersion dans une solution de Hanks jusqu'à 14 jours, suivis de tests de nettoyage et de compression mécanique. Les facteurs influençant les propriétés mécaniques de la mousse corrodée ont été explorés, c'est-à-dire la dégradation structurelle, les produits de corrosion adhérents et les changements micro-architecturaux au niveau des entretoises. une tomographie micro-calculée a été utilisée pour mesurer les paramètres architecturaux du contrôle et des mousses corrodées pendant 14 jours. Sur la base des mesures architecturales, des modèles d'éléments finis de mousse Kelvin ont été développés pour prédire la réponse mécanique des mousses corrodées. De plus, un nouveau modèle de mousse Kelvin a été développé pour prédire la réponse mécanique des mousses de fer corrodées sous corrosion homogène, le mécanisme de corrosion qui n'avait pas été observé dans les expériences. Enfin, les faits saillants les plus importants des études sont présentés dans la section Conclusion. Aussi, les limites et les bénéfices potentiels des résultats de ce projet pour les futurs travaux de recherche sont expliqués, et de nouvelles idées pour les futurs projets concernant le comportement mécanique des mousses métalliques résorbables sont proposées. / Up to a few years ago, every year, in the Unites States, more than 500,000 people needed to repair their bone defects. It was predicted that the need for such repairs would double in US and worldwide by 2020. Bone grafting techniques are commonly used to heal large bone defects. However, there are certain drawbacks with bone grafting such as infection, pain, morbidity and shortage of donor site. Bone scaffolding is considered as an alternative approach to heal bone defects without complications raised from grafting. Bone scaffolds are considered as temporary implants, since after the formation of new tissue, their presence is not needed anymore. Porous biodegradable (absorbable) metals have been developed and studied as temporary bone scaffolds. These porous structures provide mechanical support and biological space for tissue regeneration. These implants corrode during tissue regeneration process, and, ideally, they should disappear once the healing process ends. Thus, no secondary surgery to remove them would be needed. One crucial task for absorbable bone scaffolds is to provide mechanical support for new tissue formation. The scaffolds must keep their mechanical integrity without failing due to mechanical loads applied from the surrounding environment. On the other hand, as orthopedic implants, their stiffness should not be higher than the surrounding bone tissue due to the risk of stress shielding. Thus, understanding the influencing factors on the mechanical response of the bone scaffold during degradation and predicting their mechanical properties are crucial. Design and fabrication of absorbable scaffolds is a topic of interest for researchers. Detailed analyses that explain the post-corrosion mechanical properties of absorbable metal scaffolds based on their post-corrosion architectural features are lacking in the literature. This PhD project addresses the mechanical behavior of electroplated open cell iron foam with hollow struts for bone scaffolding applications. In particular, the structural-mechanical properties relationships, post-corrosion mechanical properties and the corrosion-induced micro-architectural parameters of the iron foams have been explored. In addition, idealized finite element models (Kelvin foam) of a control as well as a corroded iron foam specimen were developed based on micro-computed tomography measurements and corrosion modes to predict the post-corrosion mechanical response of the iron foam (in silico test). The thesis comprises an Introduction, three chapters containing a thorough literature review and the studies conducted for the PhD project, and a Conclusion section. Additional data about the performed studies are found in the Appendix. In the Introduction, a brief background on bone scaffolds, the application of porous biodegradable (absorbable) metals in scaffolding, problem statement, research objectives, research strategy, and the novelty of the research are presented. Chapter 1 contains a thorough literature review on the subjects relevant to the topic of the thesis such as the application of biodegradable metals as temporary implants, fabrication and application of absorbable metal foams as bone scaffolds as well as their mechanical and corrosion properties, corrosion-time dependent mechanical properties of absorbable metallic scaffolds, analytical and computational modelling approaches to predict the mechanical behavior of metal foams and computational modeling of degradation in absorbable metals. Chapter 2 discusses the first step of the PhD project which was a study on the mechanical properties of the electroplated open-cell iron foams with hollow struts. In this study, samples of iron foams with different architectural properties, i.e. cell size, branch-strut thickness and pore size, underwent mechanical compression tests and the role of their architectural parameters as well as their relative density in their different compressive response (quasi-elastic gradient, yield and compressive strength) was discussed. In addition, finite element modeling of Kelvin foams was developed to provide a better understanding of the strut hollowness effects on the foam mechanical properties. The chapter covers an introduction, the methodology, results, discussion, and a concluding section. Chapter 3 discusses the post-corrosion mechanical properties and architectural configurations of the iron foams with hollow struts. The iron foam samples underwent immersion tests in a Hanks' solution up to 14 days which were followed by cleaning and mechanical compression tests. The factors influencing the corroded foam mechanical properties were explored, i.e. structural degradation, adherent corrosion products and micro-architectural changes on the strut level. micro-computed tomography was employed to measure architectural parameters of the control and the 14-day corroded foams. Based on the architectural measurements, Kelvin foam finite element models were developed to predict the mechanical response of the corroded foams. Also, a new Kelvin foam model was developed to predict the mechanical response of the corroded iron foams under homogeneous corrosion, the corrosion mechanism which had not been observed in the experiments. Finally, the most important highlights of the studies are presented in the Conclusion section. Also, the limitations and the potential benefits of the results of this project for the future research works is explained, and new ideas for the future projects concerning the mechanical behavior of absorbable metal foams is proposed.

Les facteurs affectant la régénération de thuya occidental (Thuja occidentalis L.) après des coupes partielles en peuplements mixtes sur station mésique ont été étudiés à l’aide de trois approches. Premièrement, des coupes de jardinage par pied d’arbre (25 % de la surface terrière récoltée) et par trouées (trouées de 1,5H × 1,5H; 625 m2), ainsi qu’une coupe d’ensemencement (50 % de la surface terrière récoltée) ont été suivies durant trois ans en Outaouais (Québec, Canada) pour mesurer l’abondance, l’établissement et la croissance à court terme d’une nouvelle cohorte de régénération. Deuxièmement, une étude rétrospective effectuée dans d’anciennes coupes partielles en Outaouais, dans la réserve faunique Papineau-Labelle (Québec, Canada) et à Penobscot Experimental Forest (PEF, Maine, États-Unis) a permis de mesurer la croissance diamétrale et en hauteur des semis, des marcottes et des petites gaules de thuya dans des régions ayant des densités variables de cerfs de Virginie (Odocoileus virginianus Zimmerman). Troisièmement, l’abondance et le recrutement des semis, ainsi que les taux de passage et la mortalité des gaules de thuya ont été étudiés dans des peuplements aménagés par des coupes partielles répétées sur un horizon de 40 ans à PEF. Ces trois approches ont permis de déterminer que les petits semis de thuya (< 15 cm de hauteur) sont présents sous plusieurs intensités de coupes partielles, mais la meilleure combinaison de conditions d’établissement est une proximité des semenciers, une coupe de jardinage par pied d’arbre, un substrat minéral exposé et un faible niveau de compétition. La croissance en hauteur est influencée par la région et la disponibilité de la lumière, tandis que la croissance diamétrale est augmentée par des coupes partielles. En présence d’une densité élevée de cerfs, la croissance des semis au-delà de 30 cm de hauteur et le recrutement au stade gaulis sont faibles, limitant ainsi la densité de tiges. À la lumière de ces résultats, il est préférable de préétablir la régénération de thuya par des coupes partielles de faible intensité ou de travailler avec la régénération préétablie naturellement. Dans un deuxième temps, une ouverture plus grande du couvert peut libérer les semis et les gaules et permettre une augmentation de la croissance en hauteur et en diamètre. Il peut être nécessaire de contrôler le broutement selon la densité des populations de cerfs. / Factors affecting the regeneration of northern white-cedar (Thuja occidentalis L.) after partial cuts in mixedwood stands on mesic sites were studied using three distinct approaches. Firstly, single-tree selection cutting (25% of basal area removed), shelterwood seed-cutting (50% of basal area removed), and group selection cutting (gaps of 1.5H × 1.5H; 625 m2) were monitored over three years in the Outaouais Region (Quebec, Canada) to measure the abundance, establishment, and short-term growth of a new regeneration cohort. Secondly, a retrospective study was conducted in partial cuts in the Outaouais Region, Papineau-Labelle wildlife reserve (Quebec, Canada), and at the Penobscot Experimental Forest (PEF, Maine, United States) to compare diameter and height growth of white-cedar seedlings, layers, and small saplings in regions with different densities of white-tailed deer (Odocoileus virginianus Zimmerman). Thirdly, the abundance and recruitment of seedlings, and turning rates and mortality of white-cedar saplings, were studied in stands managed by repeated partial cutting over a 40-year period at the PEF. These three approaches demonstrated that small white-cedar seedlings (< 15 cm high) are present under many intensities of partial cuts, but the best combination of conditions to establish seedlings are: proximity of seed trees, partial opening of the canopy (single-tree selection cutting), exposed mineral soil, and low competition level. Height growth appears to be primarily a function of the region and light availability, and diameter growth increases following partial cutting. With a high density of deer, recruitment of seedlings over 30 cm high and to sapling stage is low, limiting density of saplings. In light of these results, it is preferable to pre-establish white-cedar regeneration by partial cutting of low intensity, or to work with naturally pre-established regeneration. After seedlings are established, a wider canopy opening can release seedlings and saplings and increase height and diameter growth. It may be necessary to control browsing pressure according to deer population densities.

Encore aujourd'hui, les lésions de la moelle épinière représentent un défi colossal pour la science et la médecine. La découverte d'un traitement efficace nécessitera un approfondissement des connaissances sur les processus cellulaires et moléculaires qui sont déclenchés à la suite de la lésion, notamment concernant la réponse inflammatoire et la dégénérescence wallérienne puisque ces deux réponses pourraient influencer la régénérescence d'axones lésés. À ce sujet, nous avons récemment démontré qu'il est possible d'induire une déplétion importante des cellules myéloïdes CD Il b + chez des souris transgéniques exprimant une forme mutée du gène suicide HSV -TKmt 30 sous le contrôle du promoteur CD Il b, un promoteur spécifique aux macrophages et aux granulocytes. Nos résultats indiquent que les cellules CD Il b + sont essentielles à la régénérescence d'axones périphériques et centraux en favorisant l'élimination des débris de myéline et des inhibiteurs de croissance axonale associés à ceux-ci de même que via la synthèse de facteurs neurotrophiques et pro-angiogéniques.

L’aménagement des peuplements mixtes est un défi de taille pour les sylviculteurs. La régénération de plusieurs essences au sein de peuplements mixtes semble toutefois plus ardue et les scénarios sylvicoles conventionnels ne sont pas toujours adaptés en fonction de leurs besoins. C’est entre autre le cas du thuya occidental (Thuja occidentalis L.) dont il sera question dans cette étude. En effet, au cours des dernières décennies, une diminution de la présence du thuya sur la majorité de son aire de distribution a été constatée. Des pratiques sylvicoles mal adaptées ainsi qu’une augmentation des populations de cerf de Virginie ont fort probablement contribué à ce déclin du thuya dans les forêts mixtes de l’est de l’Amérique du Nord. Cette situation a conduit les aménagistes forestiers à tester diverses approches sylvicoles afin de permettre le maintien du thuya au sein des peuplements auxquels il était présent. Des études expérimentales antérieures ont permis de déterminer que la proximité des semenciers, la qualité du microsite d’implantation, l’ouverture du couvert ainsi que le broutement par les herbivores sont des facteurs déterminants du succès de régénération du thuya. Toutefois, les recommandations issues de ces études n’ont pas été validées à l’échelle opérationnelle. Cette étude a comme objectif de valider si les coupes de jardinage réalisées par l’industrie permettent au thuya de se régénérer sur les sites sur lesquels il est présent à l’origine. Les sites étudiés font partie du réseau de suivi des effets réels du jardinage établi par le Ministère des forêts, de la faune et Parcs (MFFP) en 1995. Au total, 70 placettes-échantillons permanentes ont été visitées afin d’obtenir des informations sur la régénération, les gaules, l’intensité de coupe, le couvert arbustif, les microsites utilisés et disponible ainsi que la présence de broutement. Les résultats obtenus indiquent que même dans un contexte opérationnel, les coupes de jardinage peuvent favoriser la régénération de thuya. Toutefois, l’intensité de coupe, la présence de semenciers à proximité, la disponibilité de microsites propices et la présence de végétation concurrente viennent influencer l’abondance, la croissance ainsi que le recrutement des semis et gaules de thuya dans le peuplement résiduel.

Le thuya occidental est affecté par un phénomène de raréfaction sur toute son aire de distribution et le broutement par le cerf de Virginie représente l'une des causes principales de son déclin. En 2018 et 2019, des opérations d'abattage de cervidés ont été menées par le ministère des Forêts, de la Faune et des Parcs du Québec sur une zone de 400 km² afin de réduire les risques de propagation de la maladie débilitante chronique des cervidés en Outaouais, offrant ainsi une potentielle fenêtre d'opportunité pour le thuya. Les objectifs de cette étude étaient d'abord de caractériser les variations spatiales de la pression de broutement et de déterminer l'impact d'une diminution de broutement sur l'abondance de la régénération de thuya accessible au broutement et sur la croissance radiale de semis de thuya. Des inventaires forestiers ont montré qu'en présence de broutement par le cerf, la présence de thuyas semenciers aurait un effet positif sur l'installation et la régénération basse du thuya, mais que cet effet s'atténuerait avec la hauteur au profit d'autres variables comme le broutement. Des analyses dendrochronologiques menées sur des semis de thuya accessibles au broutement ont révélé que la croissance radiale moyenne dans le secteur traité avait subi un gain de 14,8 % entre la période avant et après les opérations d'abattage tandis que, dans un secteur témoin, la croissance radiale moyenne avait subi une baisse de 9,5 %. L'ouverture du couvert avait un effet positif sur la croissance, ce qui suggère qu'afin de réduire la durée nécessaire au recrutement de thuyas au-delà de la zone de vulnérabilité au broutement, des interventions sylvicoles visant l'ouverture du couvert ou le contrôle de la compétition devraient être combinées à la réduction de la pression de broutement.

Après une perte importante d’un tissu cartilagineux, plusieurs possibilités s’offrent aux chirurgiens pour remplacer cette perte tissulaire. Parmi, cela nous trouvons, les greffes autologues ou allogéniques et l’utilisation de polymères biocompatibles. Sans oublier que jusqu’aujourd’hui, les propriétés et la structure du cartilage natif n’ont pas été entièrement imitées par l’ingénierie tissulaire. Étant donné les limitations des méthodes actuelles, telles que : la pénurie des donneurs, l’immunogénicité des greffons allogéniques, et le manque d’intégration des polymères l’ingénierie tissulaire du cartilage pourrait constituer une excellente alternative aux méthodes actuelles. Nos objectifs pour cette thèse sont (i) de produire une matrice composite constituée de polymères naturels; (ii) d’évaluer les propriétés physicochimiques de ces matrices composites, et (iii) d’évaluer les propriétés biologiques de ces matrices pour la production de tissu cartilagineux. Nous avons réalisé qu’une combinaison des deux biopolymères, le collagène et le chitosane, nous a permis d’obtenir une matrice avec des propriétés mécaniques et biologiques renforcées en comparaison à une matrice de collagène seul. La caractérisation physicochimique de nos matrices nous a permis de mieux comprendre les types de réactions chimiques produites entre les deux polymères et les différents autres constituants de la matrice utilisés pour des fins mécaniques, tel que le glutaraldéhyde, et pour des fins biologique, s tels que l’acide glutamique et la glycine. En second lieu, nos résultats portant sur la caractérisation biologique nous ont permis de confirmer que nos matrices composites produites, ensemencées de chondrocytes, favorisent l’adhésion et la prolifération de ces cellules. Nos résultats démontrent de façon tangible l’efficacité d’une combinaison entre le collagène et le chitosane pour la régénération in vitro de tissus cartilagineux. Ces résultats devront être confirmés in vivo en utilisant un modèle animal afin de confirmer la pertinence des membranes composite à base de collagène et de chitosane pour des applications biomédicales, dont le remplacement du cartilage endommagé. / Given the large number of patients suffering from cartilage damage, with different degrees of severity affecting all ages, a wide range of approaches has been designed. These include autologous or allogeneic grafts, the implementation of polymers, etc. However, each of these cartilage replacement do have significant limitations, such as the scarcity of donors, the risk of infection and disease transmission, the immunogenicity of the polymer implants and their reduced integration with native tissue. To overcome these limitations, tissue engineering cartilage could be an excellent alternative. The objectives of our studies are (i) to produce a natural composite matrix containing collagen and chitosan, (ii) evaluate the physicochemical properties of these composite matrices, and (iii) investigate the biological properties of these matrices for the production of cartilage tissue. Our structural and ultrastructural analyses demonstrated that collagen porous membrane can be coated with chitosan at different concentration leading to the formation of a natural composite matrix. The physicochemical characterization confirmed the chitosan interaction with collagen leading to a mechanically stable matrix that can easily be handled. It is also important to mention that the use of cross-linker such as glutaraldehyde improved the mechanical properties of the composite matrix. These designed composite matrixes were biocompatible allowing cell adhesion and growth. These biological activities were improved when composite matrix was pre-treated with glutamic acid and glycine. Such matrix offered appropriate condition allowing the adhesion and growth of chondrocytes. Overall, we were able to design a composite matrix by combining collagen membrane and chitosan solutions. Although very interesting, our in vitro data should be confirmed by in vivo studies using an animal model, prior to clinical applications.

Thèse ou mémoire avec insertion d’articles / L'objectif principal de cette thèse est de développer un échafaudage à cellules ouvertes qui ne nécessite pas de traitement supplémentaire avec des solvants pour offrir une bonne adhérence interfaciale et favoriser la prolifération des ostéoblastes. Pour atteindre cet objectif, diverses étapes ont été suivies et discutées dans les différents chapitres de la thèse. Au chapitre 2, la technique de moulage par compression a été utilisée pour développer une mousse à cellules ouvertes en acide polylactique (PLA) en utilisant la technique de plan d'expérience (Design of Experiments, DoE, en anglais). Les travaux réalisés ont montré que la structure cellulaire de la mousse développée était affectée par les trois paramètres de procédé suivants : le temps de moussage, la température d'ouverture du moule et la concentration massique de l'agent de moussage, l'azodicarbonamide (ADA). Une équation de régression reliant la taille moyenne des cellules à ces trois paramètres a été développée à partir du DoE, et l'analyse de variance (ANOVA) a été utilisée pour trouver les meilleurs paramètres d'ajustement correspondant aux données expérimentales. Au chapitre 3, nous avons développé et analysé une variété d'échafaudages à cellules ouvertes composés de chitosane (CS) et de copolymère chitosane greffé PLA (CS-g-PLA) dispersés à l'intérieur de la matrice PLA. Les résultats ont démontré une dégradation hydrolytique des échafaudages composites PLA/CS, ce qui n'était pas le cas pour les échafaudages PLA/CS-g-PLA modifiés qui présentaient une bonne stabilité hydrolytique. Par conséquent, par rapport aux échafaudages PLA/CS non compatibilisés, les échafaudages PLA/CS-g-PLA ont démontré une adhésion et une prolifération élevées des ostéoblastes après trois et cinq jours de culture cellulaire. Enfin, nous avons montré au chapitre 4 des résultats expérimentaux sur le développement, par la technique de moulage par compression, d'échafaudages poreux à cellules ouvertes en PLA sans l'utilisation de solvants additionnels. L'originalité de ce travail consiste à utiliser un composite moussant chimique spécialement préparé, que nous avons nommé CFCO, dans lequel le copolymère CS-g-PLA a été ajouté à différentes concentrations dans un mélange de PLA et d'ADA utilisé comme agent chimique de moussage. Lors du moussage des échafaudages à base de PLA à l'aide de ce CFCO spécial, le copolymère CS-g-PLA, qui est un composant du CFCO, migre à la surface des pores générés et y est immobilisé. La localisation du copolymère CS-g-PLA à la surface des pores a été confirmée par la microscopie électronique à balayage (MEB) et la microscopie confocale. Pour une concentration de copolymère CS-g-PLA de 6,90 % en poids, le fait que le copolymère ait été maintenu exposé à la surface des pores a conduit à une prolifération cellulaire d'environ 52 % supérieure à celle obtenue avec l'échantillon témoin de PLA pur, et de 28 % supérieure à celle obtenue avec 10 % en poids de CS-g-PLA dispersé à l'intérieur de la matrice PLA. / The main objective of this thesis is to develop an open-cell scaffold without the need of any further solvent treatment to provide a good interfacial adhesion and proliferation properties for osteoblast cells. To attain this objective, different steps were followed and discussed in the following chapters. In chapter 2, a compression molding technique was used to develop a polylactic acid (PLA) open-cell foam morphology using a design of experiments (DoE) methodology. It was observed that the cellular structure was affected by three molding parameters: the foaming time, mold opening temperature, and the weight concentration of azodicarbonamide (ADA) blowing agent. The analysis of variance (ANOVA) was performed to identify the optimal fitting parameters based on the experimental data, and a regression equation relating the average cell size to the three mentioned processing parameters was developed from the DoE. The analysis of variance (ANOVA) was used to find the best dimensional fitting parameters based on the experimental data. In chapter 3, we developed and analyzed a variety of open-cell scaffolds composed of chitosan (CS) and CS-g-PLA copolymer dispersed inside the PLA matrix. The corresponding results demonstrated an hydrolytic degradation of PLA/CS composite scaffolds, which was not the case for the modified PLA/CS-g-PLA scaffolds that showed a good hydrolytic stability. Consequently, compared to uncompatibilized PLA/CS scaffolds, compatible PLA/CS-g-PLA scaffolds demonstrated high osteoblast cell adhesion and proliferation after three and five days of cultured cells. Finally, we showed in chapter 4 experimental results on the development, by compression molding, of solvent-free PLA open-cell porous scaffolds. The originality consists of using a specially prepared chemical foaming composite, that we named CFCO, in which CS-g-PLA copolymer was added at various concentrations into a mixture of PLA and ADA used as chemical foaming agent. During the foaming of the PLA-based scaffolds using this special CFCO, the CS-g-PLA copolymer, which is a component of the CFCO, is projected toward the surface of the generated pores and immobilized there. The localization of CS g-PLA copolymer on the surface of the pores was confirmed by scanning electron microscopy (SEM) and confocal microscopy. For CS-g-PLA copolymer concentration of 6.90 wt.%, the fact that it was kept available on the surface of the pores led to osteoblast cells proliferation about 52% higher than that obtained with the pure PLA control sample and 28% higher than that obtained with 10 wt.% CS-g-PLA dispersed inside the whole PLA matrix.

La maladie pulmonaire obstructive chronique (MPOC) est caractérisée par une obstruction bronchique irréversible et progressive. L'atrophie musculaire périphérique est fréquente dans la MPOC et a un impact négatif sur la qualité de vie, la capacité fonctionnelle et la survie des sujets atteints. Un déficit dans la régénération du tissu musculaire pourrait contribuer au développement de l'atrophie musculaire, mais n'a jamais été directement évalué chez les sujets ayant une MPOC. La maintenance et la réparation du tissu musculaire sont du ressort des cellules satellites. Un nombre insuffisant de cellules satellites combinés ou non à un processus déficient de multiplication et de différenciation pourrait altérer la capacité du tissu musculaire à récupérer adéquatement à la suite d'un exercice physique ou d'un dommage musculaire. Nous proposons l'hypothèse que le potentiel de régénération musculaire est déficient chez les patients ayant une MPOC comparativement à des sujets sains d'âge similaire, contribuant ainsi au développement de l'atrophie musculaire observée chez ceux-ci. Pour vérifier cette hypothèse, un modèle de culture cellulaire primaire obtenu à partir d'échantillons musculaires a dû être développé. Ce projet permettra pour la première fois de mettre en culture et de caractériser les cellules satellites musculaires provenant de biopsies de patients ayant une MPOC. et d'évaluer leur potentiel de régénération. De plus, ce modèle pourra être utilisé pour répondre à différentes questions associées à la signalisation musculaire propre à la MPOC.

La réparation des défauts osseux de taille importante (fracture, tumeur, nécrose de l'os) pour lesquelles une partie de l'os est manquante et doit être remplacée, demeure un défi important pour le domaine médical. Des matériaux synthétiques, comme des matériaux céramiques, métalliques, et polymères, sont ainsi développés comme substituts osseux. Mais ces matériaux n'interagissent pas suffisamment avec l'os du patient et finissent par être encapsulés par une couche de tissu fibreux, ce qui peut résulter en une fracture de l'os, de l'implant, ou de l'interface entre les deux. La recherche vise donc à étudier et comprendre les interactions entre les cellules et les matériaux, afin de développer des matériaux capables d'interagir avec les cellules, et de mettre au point des implants combinant un matériau bioactif, des cellules, et des facteurs bioactifs permettant la reconstruction du tissu osseux. Dans ce contexte, les cellules souches mésenchymateuses (MSCs) ont gagné en popularité en médecine régénératrice compte tenu de leur capacité d'auto-renouvellement, leur multipotence, et leur taux de prolifération élevé. Cependant, une fois extraites du patient et cultivées in vitro, les MSCs ont tendance à se différencier de manière aléatoire, ce qui conduit à une population hétérogène de cellules avec laquelle il est difficile de reconstruire un tissu. Bien que les MSCs soient utilisées en clinique pour le traitement de diverses pathologies, une meilleure compréhension de leur comportement reste nécessaire pour permettre de contrôler leur différenciation vers une lignée spécifique et ainsi améliorer leurs performances en clinique. Les hydrogels ont émergé comme matériaux prometteurs pour la culture cellulaire puisqu'ils permettent de mimer la matrice extracellulaire naturelle des cellules. Notamment, de nombreuses études ont évalué l'impact de la rigidité des hydrogels sur la différenciation des MSCs et ont montré qu'une rigidité proche de celle d'un tissu naturel favorise la différenciation vers les cellules de ce tissu. Cependant, il est maintenant reconnu que les hydrogels et les tissus naturels ne sont pas caractérisés uniquement par leur rigidité, mais aussi par leur viscoélasticité. Or peu d'études ont été menées sur l'impact des propriétés viscoélastiques des hydrogels sur la différenciation des MSCs (15 articles sur les cinq dernières années via PubMed). Dans ce projet, il a été montré qu'il était possible de synthétiser des hydrogels de poly(acrylamide-co-acide acrylique) avec une rigidité et une viscoélasticité contrôlées, mesurées par compression et par AFM. Cinq hydrogels ont été choisis pour étudier l'impact des propriétés mécaniques sur la différenciation ostéogénique des MSCs en variant la rigidité et le pourcentage de relaxation : 15 kPa-15%, 60 kPa-15%, 140 kPa-15%, 100 kPa-30%, et 140 kPa-70%. Il a été montré que la fonctionnalisation de surface de ces hydrogels avec un peptide mimétique de la protéine BMP-2 a mené à une forme cellulaire étoilée après deux semaines de différenciation, sauf pour la rigidité la plus basse (15 kPa). Cette forme cellulaire étoilée correspondrait à une forme d'ostéocyte, qui est le dernier stade de différenciation ostéogénique des MSCs, et qui n'a jamais été obtenu in vitro à notre connaissance. De plus, une rigidité de 60 kPa a mené à une plus forte expression de marqueurs de différenciation ostéocytaires par rapport à des rigidités de 15 et 140 kPa, pour une même relaxation de 15%. Enfin, la plus forte expression de marqueurs de différenciation d'ostéoblastes et d'ostéocytes a été observée pour l'hydrogel présentant 70% de relaxation et une rigidité de 140 kPa. Ceci semble montrer qu'une viscoélasticité élevée favorise la différenciation ostéogénique des MSCs, même si elle est associée à une rigidité qui n'est pas la plus favorable. Ainsi, les propriétés viscoélastiques de la matrice auraient un impact non négligeable sur la différenciation des MSCs et devraient être considérées à l'avenir. / The repair of large bone defects, including large fracture, tumor, and necrosis for which a part of the bone is missing and has to be replaced, is still a challenge for the medical field. Synthetic materials, such as ceramic, metallic, and polymeric materials, have been developed as bone substitutes. However, these materials do not interact with the bone of the patient and generally end up being encapsulated by a layer of fibrous tissue, that might result in the fracture of the bone, the implant, or the interface between the two. The research therefore aims at studying and understanding cell-material interactions in order to develop materials capable of interacting with cells, and to create new implants combining a carrier material, cells, and bioactive factors, allowing bone reconstruction. In this context, mesenchymal stem cells (MSCs) have gained high interest in regenerative medicine considering their self-renewal ability, multipotency, and high proliferative rate. However, once extracted from the patient and cultivated in vitro, MSCs tend to differentiate randomly, which leads to a heterogeneous population of cells with which it is difficult to reconstruct any tissue. Therefore, although MSCs are used in clinics for the treatment of various pathologies, a better understanding of their biological behavior is still required to provide the ability to control their in vitro differentiation into a specific lineage and improve their clinical performance. Hydrogels have emerged as promising materials for cell culture as they allow to mimic the natural extracellular matrix of cells. Particularly, many studies have evaluated the impact of hydrogels stiffness on MSCs differentiation and showed that a stiffness close to that of a biological tissue leads to a differentiation towards cells of this tissue. Nevertheless, it is now recognized that hydrogels as well as biological tissues are not only described by their stiffness, but also by their viscoelastic properties. However, only few studies have been conducted on the impact of hydrogels viscoelastic properties on MSCs differentiation (15 articles over the past five years from PubMed). In this project, it has been shown that it was possible to synthesize poly(acrylamide-co- acrylic acid) hydrogels with different controlled stiffness and viscoelasticity, evaluated using compression and AFM. Five hydrogels have been chosen to study the impact of hydrogels mechanical properties on MSCs osteogenic differentiation by varying the stiffness and the relaxation percent : 15 kPa-15%, 60 kPa-15%, 140 kPa-15%, 100 kPa-30%, and 140 kPa- 70%. It has been shown that the surface functionalization of these hydrogels with a mimetic peptide of the BMP-2 protein led to star-like cells, except for the lowest stiffness (15 kPa). This star-like shape would correspond to the shape of osteocytes, which is the last stage of osteogenic differentiation, and which has never been obtained in vitro to our knowledge. Moreover, a stiffness of 60 kPa led to a higher expression of osteocyte markers as compared to stiffnesses of 15 and 140 kPa, for a constant low relaxation of 15%. Finally, the strongest expression of osteoblast and osteocyte differentiation markers has been observed for the hydrogel with a high relaxation of 70% and a stiffness of 140 kPa. This shows that a high viscoelasticity would favor MSCs osteogenic differentiation, even if it is associated with a stiffness that is not the most favorable. Thus, the viscoelastic properties of the matrix would have a significant impact on MSCs differentiation and should be considered in the future.

Les biomatériaux jouent un rôle majeur dans le développement du génie tissulaire. Au cours des dernières années, les propriétés physiques, chimiques, et en particulier biologiques de ces matériaux ont été optimisées pour différentes applications. Le polypyrrole (PPy) électriquement conducteur et ses matières composites sont utiles pour connecter des composants électriques, des cellules ou des tissus vivants. Des efforts ont été faits pour bio-activer le PPy en incorporant électrochimiquement des biomolécules comme l'héparine et l'acide hyaluronique. Cette méthode est cependant limitée par la petite taille des électrodes, la dénaturation des biomolécules pendant les réactions électrochimiques, le changement des propriétés physiques et surtout la conductivité du polypyrrole. Le but de cette étude est de bio-activer le polypyrrole par l'incorporation de molécules bio-actives telles que la fibronectine et l'albumine de sérum bovin. Ce biomatériau serait d'une grande utilité dans le domaine de l'ingénierie tissulaire et constituerait un support bioactif, biodégradable et électriquement conducteur pour la culture de différents types cellulaires avec de multiples applications biomédicales