La perte de l’organe dentaire entraine une perte de substance de l’os alvéolaire. Les techniques mises en place pour reconstruire l’os alvéolaire préalablement à la pose d’implant utilisent des membranes (seules ou associées à une greffe osseuse), faisant d’une part office de barrière vis-à-vis des tissus mous environnants, et permettant d’autre part le maintien d’un espace nécessaire à l’ostéogénèse. Ce travail de thèse pluridisciplinaire vise à développer des matrices innovantes destinées à la régénération osseuse. Inspirés par la nature hybride du tissu osseux, des revêtements à base de phosphates de calcium et de polymères organiques (chitosane et acide hyaluronique) ont été élaborés par pulvérisation simultanée de solutions d’espèces réactives. La construction de ces revêtements a permis la précipitation d’un composé à base d’apatite carbonatée et de brushite sur des lamelles de verre (preuve de concept), tandis qu’un composé hybride complexe (brushite, phosphate octocalcique et apatite nanocristalline) a été construit sur des membranes de collagène d’origine porcine, utilisées en régénération osseuse. Sur le verre, les revêtements semblent posséder les propriétés intrinsèques (rugosité, élasticité) en faveur d’une différenciation ostéoblastique, ce qui a été confirmé par une différenciation ostéoblastique précoce des cellules souches. Sur la membrane, le revêtement n’induit pas de différenciation mais stimule les propriétés ostéo-immunomodulatrices des cellules souches, nécessaires à la régénération osseuse. De plus, le revêtement a démontré dans les deux cas une activité antibactérienne, le rendant très attractif pour des applications en régénération osseuse. Enfin, le développement d’un dispositif médical de classe II à partir de la gelée de Wharton a été envisagé. Cette source allogénique semble prometteuse en médecine régénératrice osseuse. / Bone loss following tooth extraction requires pre-implantory surgery techniques to regenerate bone. These techniques use an occlusive membrane positioned over a bone graft material or not, providing space maintenance and enabling to seclude soft tissue infiltration to promote bone regeneration. This pluridisciplinary thesis work aims at developing innovative biomaterials for bone regeneration applications. Inspired by bone hybrid composition, coatings made of calcium phosphates and organic polymers (chitosan and hyaluronic acid) were developed using simultaneous spray coating of interacting species process. Coating build-up led to precipitation of a compound made of carbonated apatite and brushite on glass coverslip (proof of concept), whereas a complex hybrid compound (brushite, octacalcium phosphate and nanocrystalline apatite) was formed on collagen membrane. Coating on glass coverslip seems to possess required properties (roughness, elasticity) for osteoblastic differentiation, which was confirmed by stem cells early osteoblast commitment. However, coating on collagen membrane did not induce osteoblastic differentiation, but stimulated stem cells osteo-immunomodulatory properties, required for bone regeneration. Interestingly, coating demonstrated in both cases antibacterial activities, which makes it very attractive for bone regeneration applications. Finally, Wharton’s jelly from umbilical cord was suggested as an innovative source for new biomaterials, to replace xenogeneic membranes.

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.

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 affections ostéo-articulaires concernent des millions de personnes. L’ingénierietissulaire osseuse, associant cellules souches mésenchymateuses humaines (CSM) etmatériaux synthétiques, pourrait répondre aux besoins cliniques. Pour cela, les différentescomposantes de cette approche et leur association doivent être mieux étudiées pour la rendreutile cliniquement. Durant cette thèse, une première étude animale proche du cas cliniquenous a permis de définir les points à améliorer pour le traitement des pertes osseuses. Nousavons ainsi pu développer un milieu spécifique induisant une différenciation rapide etterminale des CSM en ostéoblastes. Par la suite, l’utilisation de particules de céramiquescomme support cellulaire nous a permis d’obtenir des hybrides riches en matriceextracellulaire. Cet environnement 3D biomimétique permet l’engagement spontané des CSMvers un phénotype ostéoblastique et l’obtention d’une quantité osseuse importante in vivo.L’ensemble de ces résultats met en évidence l’importance de l’environnement et du stade dedifférenciation cellulaire pour la formation osseuse par ingénierie tissulaire osseuse. / Osteo-articular disorders affect millions of people over the world. Bone tissueengineering, an approach combining human mesenchymal stem cells (MSC) and syntheticmaterials, could potentially fulfill clinical needs. However, the different components of thisapproach and their association should be investigated further to make it clinically useful. Inthis thesis, an initial animal study close to clinical situation allowed us to identify areas thatneed improvement for regenerating bone defect. We were then able to develop a specificmedium which induces a rapid and terminal osteoblastic differentiation of MSC.Subsequently, the use of ceramic particles as cell support has allowed us to obtain hybridmainly composed of extracellular matrix. This biomimetic 3D environment allowsspontaneous osteoblastic commitment of MSC and induces a large bone quantity in vivo.Overall, these results highlight the importance of the environment and the cell differentiationstate for bone formation using bone tissue engineering.

Les troubles musculo-squelettiques représentent la deuxième cause d'invalidité dans le monde et des millions de personnes subissent une fracture chaque année. Bien que la régénération osseuse soit un processus efficace permettant à l'os de récupérer sa structure et ses fonctions initiales, 10% des fractures ne guérissent pas correctement et peuvent entraîner un retard de régénération ou une non-consolidation osseuse. Le processus de régénération osseuse repose sur l'activation de cellules souches squelettiques (CSS), dont les origines et les mécanismes d'action sont encore mal caractérisés. De nombreuses études se sont concentrées sur les cellules stromales de la moelle osseuse (CSM) comme source principale de CSS pour le processus de régénération osseuse endogène et les thérapies cellulaires. Cependant, notre laboratoire et d'autres équipes ont récemment montré que le périoste est une source majeure de cellules qui contribuent à la formation de cartilage et d’os dans le cal alors que les CSM ont une contribution minimale et restreinte au compartiment de moelle osseuse pendant la régénération. Le but de ce projet est de caractériser les cellules souches squelettiques du périoste et comparer leur potentiel de régénération in vitro et in vivo avec les cellules stromales de la moelle osseuse. Nous avons mis au point des cultures primaires de cellules issues du périoste (CPs) et de la moelle (CSMs) de souris. Les CPs et les CSMs expriment des marqueurs communs et peuvent se différencier dans les trois lignages mésenchymateux (ostéoblastes, adipocytes et chondrocytes) in vitro. In vitro les CPs ont un potentiel clonogénique et une croissance cellulaire plus élevés que les CSMs. Malgré l’origine embryonnaire commune des CPs et CSMs, les CPs n’ont pas les mêmes fonctions aux stades postnatal et adulte. Après transplantation au site de fracture, les CPs ont un meilleur potentiel d’intégration au centre du cal dans le cartilage et l’os comparé aux CSMs. Les CPs persistent dans le cal à long terme et peuvent reconstituer un pool de CPs dans le périoste nouvellement formé après régénération, permettant d’être mobilisées à nouveau après des blessures successives. Par des analyses transcriptomiques des CPs et CSMs isolées avant et après fracture, nous avons caractérisé les profiles moléculaires des CPs et des CSMs et mis en évidence une réponse à la blessure plus importante chez les CPs. Le gène Periostin (Postn) et d’autres gènes codant pour des protéines de la matrice extracellulaire liées à Postn sont surexprimées dans les CPs activées par la fracture. L’expression de POSTN est détectée dans le périoste et dans le cal pendant tout le processus de régénération osseuse. Les souris invalidées pour Postn ont un phénotype de régénération osseuse anormale marqué par la formation de fibrose et une absence de consolidation osseuse. Ce phénotype est dû à une déficience du périoste et des CPs chez les souris Postn mutantes. En absence de Postn, le reconstitution du périoste et du pools de CPs à long terme est abolie entraînant une incapacité du périoste mutant à participer à la réparation osseuse après une seconde blessure. En conclusion, ce travail a mis en évidence que le périoste contient une population de CSS avec un potentiel de régénération élevé pour la réparation osseuse endogène comparé aux CSMs. Nous montrons que Périostine est une protéine clé du périoste, régulant la capacité des CPs à répondre aux blessures et permettant de maintenir l’intégrité du périoste et le pool de CPs à long terme. Le périoste et les cellules souches du périoste pourraient donc être une meilleure cible pour augmenter la régénération osseuse cliniquement. / Musculoskeletal disorders represent the second cause of disability worldwide. Among them, bone repair defects occur in 10% of patients that sustain a fracture causing delayed union or non-union. Bone regeneration is normally an efficient process allowing bone to recover its proper shape and functions, and relying on the activation of skeletal stem cells (SSCs), that are still poorly characterized. Numerous studies have concentrated on bone marrow stromal cells/skeletal stem cells (BMSCs) to understand the role of SSCs in bone regeneration and for cell-based therapies. Recently, our laboratory and others have shown that the periosteum is a major source of cells that contribute to cartilage and bone formation in the fracture callus while BMSC’s contribution to the endogenous repair process is minimal and restricted to the bone marrow compartment. Here, we aimed to characterize skeletal stem cells within periosteum and compare their in vitro and in vivo regenerative potential with BMSCs. We established primary cultures of periosteal cells (PCs) and BMSCs in mice and showed that PCs and BMSCs express similar markers by FACS and qRT-PCR and can differentiate into the three mesenchymal lineages (osteoblasts, adipocytes and chondrocytes) in vitro. We show that although PCs and BMSCs have common embryonic origins, PCs exhibit superior bone regenerative potential in mature bones with higher CFU-F activity, cell growth and migration capacity in vitro compared to BMSCs. By lineage tracing after transplantation at fracture sites in vivo, we show that PCs can better contribute to cartilage and bone and integrate long-term in the callus compared to BMSCs. Using a periosteum graft approach, we show that PCs can repopulate the periosteum after injury and are mobilized again after subsequent injuries to repair bone. Microarray analyses of PCs and BMSCs isolated from intact and injured tibias 3 days post fracture show an enhanced molecular response to injury of PCs. Periostin (Postn) and other genes encoding extracellular matrix (ECM) proteins linked to Postn were up-regulated in activated PCs. Postn expression was detected in the periosteum and the callus through all stages of bone regeneration and Postn deficient mice have impaired bone regeneration leading to fibrosis and non-union. This phenotype is due to a deficient periosteum and PCs as shown by in vitro and in vivo experiments. Moreover, the capacity of PCs to repopulate the newly formed periosteum and contribute to repair after a second injury is abolished in the absence of Periostin. In conclusion, this work shows that periosteum comprises SSCs with high bone regenerative potential for endogenous bone repair compared to BMSCs. We show that Periostin is a key ECM component of the periosteum regulating the ability of PCs to respond to injury, participate in skeletal repair and maintain the pool of PCs in the periosteum. SSCs within periosteum are therefore a promising target to augment bone regeneration clinically.

Le premier objectif de notre travail est de caractériser l'évolution temporelle de proprié-tés structurales et mécaniques de matériau osseux régénéré et immature sur un grand volume.Nous avons étudié ce tissu en évolution lors de sa genèse dans un environnement mécanique contrôlé. Pour caractériser l'évolution temporelle des propriétés mécaniques de ce tissu, à partir d'un modèle animal, nous mettons en place une étude couplant essais mécanique d'indentation,observations macroscopiques et étude histologique. Cette méthodologie combinée donne des informations complémentaires à différentes échelles : macroscopique par simple observation,mésoscopique avec les tests d'indentation et microscopique avec l'histologie. Le tissu osseux ré-généré évolue d'un matériau homogène, visqueux et souple vers un matériau hétérogènes, plus rigide et moins visqueux. D'un point de vue biologique, l'organisation cellulaire part d'un amas de nombreuses cellules et progresse vers une structure plus proche de celle de l'os. Mécanique et biologie révèlent une évolution similaire : d'abord le régénérat grossit, puis il se différencie en tissu ostéochondral et finalement, la calcification commence. Les résultats biologiques confirment les études de la littérature et les résultats mécaniques donnent les premières valeurs de caractéristiques mécaniques de ce tissu avec le module d'Young réduit.Le deuxième objectif de cette étude est de développer une bioprothèse avec un biomatériau biodegradebable afin de régénérer un défaut d'os de taille critique. Notre étude est originale carelle propose d'utiliser le biomatériau comme tuteur de la régénération. Une étude préliminaire a été menée avec un modèle animal et un biomatériau céramique phosphocalcique. De premiers résultats encourageant ont été obtenus mais le processus clinique reste à concrétiser. / The first objective of our work was to experimentally characterise the temporal evolutionof the structural and mechanical properties of large volume immature regenerated tissues. Westudied these evolving tissues from their genesis in controlled mechanical conditions. To characterizethe temporal evolution of mechanical properties, based on animal model, we carried outindentation tests coupled with macroscopic examinations and histological studies. This combinedmethodology yielded a range of information on osteogenesis at different scales : macroscopic bysimple observation, mesoscopic by indentation test and microscopic by histological study. Resultsallowed us to identify different periods, providing a link between biological changes and materialproperty evolution in bone tissue regeneration. The regenerated tissue evolves from a viscous,homogeneous, soft material to a heterogeneous stiffer material endowed with a lower viscosity.From a biological point of view, cell organization progresses from a proliferated cell clot to a maturestructure closer to that of the bone. During the first seven days, mechanical and biologicalresults revealed the same evolution : first, the regenerated tissue grew, then, differentiated into anosteochondral tissue and finally calcification began. While our biological results confirm those ofother studies, our mechanical results provide the first experimental mechanical characterizationby reduced Young's modulus of such tissue.In a second time,we develop a bioprothesis with a biodegradebable biomaterial to regenerate acritical size bone defect. Our study is original because it proposes to use the biomaterial to initiatethe regeneration. A study was performed with an animal model and phosphocalcic ceramic.First observation gave some encouraging results but the clinical process should be realized

La résorption post-extractionnelle est de nos jours une conséquence inéluctable après avulsion. Cette résorption, lors d'une réhabilitation prothétique sur implants, peut avoir des conséquences néfastes tant dans le résultat esthétique que fonctionnel. Les techniques de régénération pré-implantaire (technique dérivée de la régénération tissulaire guidée) par l'emploi d'autogreffe, de xénogreffe ou encore d'allogreffe associée ou non à une membrane ont montré des bénéfices quant à la préservation du volume osseux. Les délais d'ostéointégration ayant été de nos jours réduits avec un taux de survie implantaire satisfaisant, la technique d'extraction/implantation immédiate a été envisagée dans le but d'éviter la perte osseuse post-extractionnelle et réduire le temps de traitement. Toutefois, les études menées chez le chien par différents auteurs ont montré que cette technique ne permettait en aucun cas d'éviter la resorption post-extractionnelle. La mise en place précoce d'un implant dans une alvéole déshabitée permet seulement de limiter cette dernière. Le but de note étude animale a donc été, dans les cas d'extraction/implantation immédiate, d'évaluer la perte osseuse obtenue au travers des résultats tomodensitométriques et histovolumétriques, perte osseuse comparée, à celle mesurée dans les chirurgies de comblement ainsi que dans les chirurgies régénératives avec membranes positionnées en supra ou intra-alvéolaire. Nous avons également souhaité évaluer l'intérêt de la régénération osseuse guidée dans la préservation du volume osseux lorsqu'une prothèse sur implant est envisagée. Notre choix s'est porté sur une membrane collagénique résorbable qui ont montré au travers de nombreuses études certains avantages : biocompatibilité satisfaisante, exposition n'engendrant pas un échec de la chirurgie et enfin une résorbabilité évitant une chirurgie de dépose. Concernant le matériau de comblement, nous avons opté pour une allogreffe corticale afin d'évaluer la cicatrisation osseuse obtenue, la résorbabilité du matériau et la qualité de l'interface os/implant. Dans une première partie, nous ferons un rappel sur le tissu osseux et son remodelage après avulsion. La seconde partie sera consacrée aux techniques de préservation du volume osseux, la troisième partie faisant le point sur la technique d'extraction/implantation immédiate d'un point de vue cicatrisation osseuse. Enfin la quatrième et dernière partie sera consacrée à l'étude animale. / Post-extraction resorption is nowadays an inevitable consequence of teeth extraction. This loss, during prosthetic implant rehabilitation, strongly affects aesthetic and functional results.Guided bone regeneration, issue from the guided tissular regeneration, using autogenous bone, xenograft or still allograft associated or not with a barrier membrane shows benefits in the conservation of bone volume.The delays of osteointegration having nowadays been reduced with a good rate of implant survival; immediate extraction-implantation is supposed to avoid post-extraction resorption and to reduce overall treatment time. However, animal studies from many authors showed that this technique cannot avoid the post-extraction resorption. The immediate implantation only allows to reduce it.The purpose of our animal study was to estimate the bone loss for immediate extraction-implantation technique through the histotomodensimetric and histovolumetric measurements. Bone loses were compared for allogenic bone grafting associated or not with supra or intra alveolar barrier membranes. We investigate also the benefits of guided bone regeneration in the preservation of bone volume for delayed implantation. The parameters followed were the alveolar bone loss, the resorbability of the material and the quality of bone/ implant interface. We selected absorbable collagenic barrier membrane which have shown in numerous studies many advantages: good biocompatibility, exposure don't challenge clinical results and resorbability avoiding an additionnal removal surgery. Concerning the bone grafting material, we opted for a cortical allograft. In the first chapter, we made a review of the bone histology and physiology and of its remodeling after extraction. The second chapter is dedicated to alveolar bone preservation techniques and in the third chapter we reviewed immediate extraction-implantation surgical techniques from the point of view of bone healing. Finally the fourth part of our thesis is dedicated to the presentation and analysis of our animal study.

Les traitements actuels des lésions osseuses maxillo-faciales ont été éprouvés. La greffe autogène présente les propriétés idéales, mais montre des inconvénients : douleurs chroniques, infection… Certains comblements proposés ne permettent pas une néoformation vasculaire, garante de la viabilité des tissus régénérés pour des lésions importantes. Il faut alors développer des implants avec les caractéristiques recherchées et trouver les moyens de lutter contre le risque infectieux. Ce travail présente les résultats de recherches menées sur la fabrication d’implants nanofibreux mimant la MEC du tissu osseux, dotés d’une porosité favorable à une formation vasculaire et pouvant être fonctionnalisés par des facteurs de croissance / des cellules. Une réflexion éthique est menée sur le développement de ces avancées et sur leurs applications afin de garantir qu’elles constituent un réel progrès pour les patients. Il est aussi montré que l’on peut améliorer la sécurité des soins dans le traitement des lésions osseuses maxillo-faciales en développant des équipements dans le champ de l’hygiène et par la mise en place de procédures visant à évaluer leur efficacité. / Current treatments of maxillofacial bone defects have now been proven. Only the autogenous graft presents the ideal properties but shows complications: chronic pain, infection... Some bone filling techniques that are currently available do not allow the formation of blood vessels, guaranteeing the sustainability of the regenerated tissue for large lesions. It is then necessary to develop implants in that way, and to find ways to fight effectively the risk of infection. This work presents the results of research conducted on the fabrication of nanofibrous implants mimicking the ECM of bone tissue, with a porosity that is favorable to a vascular formation. These implants can be functionalized with growth factors / cells. Ethical considerations are provided on the development of these advances, but also on their applications to ensure that these developments constitute a real progress in the interest of patients. Moreover, this work shows that it is possible to improve the safety of care in the treatment of maxillofacial bone defects, with the development of equipment in the field of hygiene and the establishment of procedures to assess their effectiveness.

L’objectif de cette thèse était de développer de nouveaux biomatériaux nanofibreux architecturés (2D ou 3D) grâce à la méthode d’électrospinning puis d’étudier l’influence de ces structures nanofibreuses sur le comportement des cellules osseuses. L’électrospinning est une technique qui permet d’obtenir des nanofibres en projetant sous l’action d’un champ électrique intense une solution de polymère sur un collecteur. Les nanofibres sont alors généralement disposées aléatoirement sous forme de mats (ou scaffolds). Ces scaffolds trouvent des applications en ingénierie tissulaire grâce à leur structure mimant la matrice extracellulaire des tissus vivants. Toutefois, il a été montré que lorsque le collecteur est micro-structuré, il est alors possible de contrôler l’organisation des fibres lors de leur dépôt grâce à la perturbation locale du champ électrique au voisinage de la surface du collecteur. Ces collecteurs architecturés jouent ainsi le rôle de « templates » électrostatiques. Dans un premier temps, nous avons développé des scaffolds 2D nanofibreux monocomposants en forme de nids d’abeilles grâce à l’utilisation d’un collecteur micro-structuré en nids d’abeilles lors du procédé d’électrospinning. Ces scaffolds ont été développés à partir de deux biopolyesters le poly(ε-caprolactone) (PCL) ou le poly(lactic acid) (PLA). Nous avons prouvé que la morphologie des nanofibres de PCL (distribution bimodale du diamètre des fibres) conduisait à un scaffold présentant un relief beaucoup plus marqué alors qu’avec les fibres de PLA, qui présentent une distribution monomodale du diamètre des fibres, les scaffolds obtenus sont beaucoup plus plats. Nous avons montré qu’il est possible de contrôler l’organisation spatiale de cellules osseuses de type MG-63, des ostéoblastes, en jouant sur le relief et l’architecture du scaffold. Puis, nous avons démontré qu’en couplant la micro-structuration des nanofibres de PCL (par l’utilisation d’un collecteur en nid d’abeilles lors du procédé d’électrospinning) avec les propriétés d’auto-assemblage du PCL, nous pouvions élaborer de nouveaux scaffolds nanofibreux 3D ayant la particularité de présenter des pores de tailles contrôlées ainsi qu’un gradient de porosité dans l’épaisseur du scaffold. Puis nous nous sommes intéressés à l’élaboration de membranes composites micro-structurées 2D et 3D. En couplant le procédé d’électrospinning avec le procédé d’électrospraying sur des collecteur micro-structurés, nous avons démontré que nous pouvions déposer de manière contrôlée les particules spécialement sur les murs des nids d’abeilles grâce notamment à la présence d’une très fine couche de fibres électrospinnées au préalable sur le collecteur. Cette fine couche de nanofibres joue le rôle de « template électrostatique » pour le dépôt des particules. Nous avons ensuite appliqué cette technique pour développer des membranes composites nanofibreuses bicouches à base de nanofibres de PCL et de microparticules d’hydroxyapatite (HA). Ces membranes composées de 21 microarchitectures différentes (barres, plots, hexagones, labyrinthe) ont ensuite été intégrées dans des mini plaques de culture cellulaire, formant ainsi un nouveau type de biopuce, appelés biochips, qui permettent pour le screening des microarchitectures nanofibreuses. Enfin, en combinant simultanément l’électrospinning de nanofibres et l’électrospraying de particules sur des collecteur micro-structurés en nid d’abeilles, des scaffolds composites 3D présentant des pores cylindriques de tailles contrôlées ont été élaborés. / The aim of this thesis was to develop new architectured nanofibrous biomaterials (2D or 3D) using the electrospinning method and to study the influence of these nanofibrous structures on bone cells behaviors. Electrospinning is a technique allowing the production of nanofibers by projecting, under the action of a strong electric field, a polymer solution on a collector. The nanofibers are generally randomly deposited and form mats or scaffolds. These scaffolds are interesting for tissue engineering applications because of their structure mimicking the extracellular matrix of living tissues. However, it has been shown that when the collector is microstructured, it is possible to control the organization of the fibers during their deposition through the local perturbation of the electric field at the vicinity of the surface of the collector. These micropatterned collectors act as "electrostatic templates". First, 2D honeycomb nanofibrous scaffolds were elaborated using micropatterned honeycomb collectors during the electrospinning process. These scaffolds were made either with poly(ε-caprolactone) (PCL) or poly(lactic acid) (PLA). We showed that the morphology of the PCL nanofibers (bimodal distribution of the fiber diameter) led to a scaffold with a strong relief. Despite, with PLA fibers which presented a monomodal distribution of the fiber diameter, the obtained scaffolds were much flatter. It was possible to control the spatial organization of bone-like cells MG-63 (osteoblasts), playing on the relief and the architecture of the scaffold. Subsequently, 3D materials were elaborated using micropatterned collectors in order to open new paths for the development of filling materials for bone regeneration. Microstructuration of PCL nanofibers (by the use of micropatterned honeycomb collector during the electrospinning process) coupled with the self-assembling properties of the PCL lead to the development of new 3D nanofibrous scaffolds, with controlled pore size and porosity gradient in the thickness of the scaffold. Afterwards, micropatterned composite 2D and 3D membranes were elaborated. By coupling the process of electrospinning with the process of electrospraying on micropatterned collector, we demonstrated that we can deposit the particles in a controlled way, especially on the walls of honeycomb patterns thanks to the presence of a thin fiber layer first deposited on the collector. This thin nanofiber layer plays the role of an "electrostatic template" for the particles deposition. Thereafter, this technique was applied to develop bilayers composite nanofibrous membranes containing PCL nanofibers and hydroxyapatite (HA) microparticles. These membranes consisted of 21 different microarchitectures (bars, blocks, hexagons, maze) were then incorporated into a small cell culture plate, thereby forming a new type of biochip for the screening of nanofibrous architectures. Indeed, these biochips allowed the screening of nanofibrous microarchitectures to identify the most relevant for bone regeneration. It turned out that the HA hexagonal structures (with an average diameter of 300 microns) and circular HA structures (with an average diameter of 150 microns) are the structures that enhance the most the mineralization process of bone cells. Finally, by combining simultaneously electrospinning nanofibers and electrospraying particles on micropatterned honeycomb collector, 3D composite scaffolds were elaborated. It was possible to control the size of cylindrical pores of these 3D composite from tens to hundreds of microns by changing the size of the honeycomb patterns of the collector.

La régénération osseuse guidée (ROG) est une technique couramment utilisée pour la régénération de perte de substance osseuse. Elle repose sur l’utilisation d’une membrane jouant un rôle de « barrière » en isolant le défaut osseux. Afin de pallier les limites des membranes actuellement utilisées, des recherches récentes tentent de développer de nouvelles membranes dites « bio-actives ». Du fait de ses propriétés biologiques, la membrane amniotique humaine (MAH) pourrait être une alternative aux membranes conventionnellement utilisées pour la ROG. L’objectif principal de ce travail était de déterminer les meilleures conditions d’utilisation de la MAH pour la régénération de pertes de substances osseuses. Dans une première partie expérimentale, l’influence des faces de la MAH appliquées au contact du défaut ainsi que l’effet de la cryopréservation ont été étudiés. Dans une seconde partie expérimentale, une nouvelle méthode de décellularisation de la MAH, simple et reproductible a été développée. Dans une troisième partie expérimentale, la réparation osseuse de défauts de taille non-critiques et critiques a été évaluée en présence de la MAH préservée selon différentes méthodes. Les résultats ont montré que ni les cellules souches contenues dans la MAH, ni la face appliquée au contact du défaut n’avaient d’influence sur la régénération osseuse. La MAH décellularisée/lyophilisée semblait être la méthode de préservation la plus prometteuse en vue de son utilisation en régénération osseuse. / Guided bone regeneration (GBR) is commonly used to repair damaged bone. GBR is based on the application of a membrane which will act as a physical barrier to isolate the intended bone-healing space. The development of bioactive membranes has been suggested to overcome some limitations of the currently used membrane. Due to its biological properties, the human amniotic membrane (HAM) is a new biological membrane option for GBR. This study aimed at investigating the most suitable conditions to use HAM for GBR. First, the influence of both HAM sides and the impact of cryopreservation were studied. Then, a new decellularization process of HAM, that is simple and reproducible, has been developed. In a third part, bone regeneration of non-critical and critical sized defects depending on the preservation method of HAM was assessed in rodents. Results showed that neither stem cells found in HAM, nor the HAM layer used to cover the defect had an influence on its potential for bone regeneration. The most promising results were achieved with the decellularized/lyophilized HAM for the field of bone regeneration.