The objective of this thesis is to provide an improved characterization of porous scaffolds. A more focused objective is to provide a computational model simulating the cell mediated resorption process of resorbable bone substitutes. The thesis is structured in three scientific manuscripts. The first manuscript used fuzzy-based image treatment methods to analyse images generated by micro-computed tomography. From the literature, it is known that the fuzzy-based method helps to improve the accuracy of the characterization, in particular for scaffolds featuring a relatively small pore size. In addition, a new algorithm was introduced to determine both pore and interconnection sizes. The surface area of bone substitutes was quantified by using marching cube algorithm. Besides, the so-called Lattice Boltzmann method was used to characterize the permeability of the investigated scaffolds. Scaffolds made of [béta]-tricalcium phosphate ([béta]-Ca[subscript 3](PO[subscript 4])[subscript 2]) and presenting a constant porosity and four variable pore sizes were examined. The average pore size (diameter) of the four bone substitute groups (denominated with a letter from group A to D) was measured to be 170.3«1.7, 217.3«5.2, 415.8«18.8 and 972.3«10.9 [micro]m. Despite this significant change in pore size, the pore interconnection size only increased slightly, in the range of 61.7 to 85.2 [micro]m. The average porosity of the four groups was 52.3«1.5 %. The surface density of scaffolds decreased from 11.5 to 3.3 mm[superscript -1], when the pore size increased. The results revealed that the permeability of scaffolds is in the same order of magnitude and increased from 1.1?10[superscript -10] to 4.1?10[superscript -10] m[superscript 2] with increasing the pore size. The second manuscript was devoted to the use of subvoxelization algorithm and high-resolution scanner, in an attempt to further improve the accuracy of the results, in particular, of the small pore scaffolds. As expected, an increase of the image resolution from 15 to 7.5 [micro]m significantly eased the segmentation process and hence improved scaffold characterization. Subvoxelization also improved the results specifically in terms of interconnection sizes. Specifically, much smaller interconnection sizes were yielded after applying the subvoxelization process. For example, the mean interconnection size of small pore size groups, group A and B, dropped from 63 to 20 and 30 [micro]m, respectively. Furthermore, due to more details obtained from subvoxelization and high-resolution scanning, additional effects so called"boundary effects" were observed. The boundary effects can yield misleading results in terms of interconnection sizes. The means to reduce these effects were proposed. The third manuscript focused on the simulation and understanding of cell mediated resorption of bone graft substitutes. A computer model was developed to simulate the resorption process of four bone substitute groups. [mu]CT data and new"image processing" tools such as labelling and skeletonization were combined in an algorithm to perform the steps of resorption simulation algorithm. The proposed algorithm was verified by comparing simulation results with the analytical results of a simple geometry and biological in vivo data of bone substitutes. A correlation coefficient between the simulation results and both analytical and experimental data, was found to be larger than 0.9. Local resorption process revealed faster resorption in external region specifically at earlier resorption time. This finding is in agreement with the in vivo results. Two definitions were introduced to estimate the resorption rate; volume resorption rate and linear resorption rate. The volume resorption rate was proportional to accessible surface and decreased when the pore size increased, while the linear resorption rate was proportional to thickness of material and increased with increasing the pore size. In addition, the simulation results revealed no effect of resorption direction on resorption behaviour of substitutes. However, the resorption rate of small pore size samples was decreased with increasing the minimum interconnection size required for cell ingrowth, to 100 [micro]m. This thesis combined novel"image processing" tools and subvoxelization method to improve the characterization of porous bone substitutes used in the bone repair process. The improved characterization allowed a more accurate simulation process. The simulation data were consistent with previously obtained biological data of the same group and allows understanding the local resorption process. The available tools and results are expected to help with the design of optimal substitute for bone repair."--Résumé abrégé par UMI.

Pour le comblement d'une perte de tissu, la greffe reste une méthode usitée en chirurgie osseuse mais une lacune importante conduit à l'emploi de matériaux artificiels. Alternative aux implants métalliques, les substituts osseux biocéramiques ont une efficacité insuffisante dans de nombreuses indications : problème d'intégration d'un volume important, résistance inadéquate à long terme, faible bioréactivité. Doper ces biocéramiques est une voie intéressante mais nombre de dopants ont abouti à des effets cytotoxiques voire à la dégradation des propriétés mécaniques. Le magnésium a été étudié comme dopant de l'hydroxyapatite pour des faibles teneurs, apportant des améliorations sans affecter la biocompatibilité. Cependant, les fortes teneurs et l'optimisation de la synthèse d'une biocéramique dopée ont été peu étudiées. Nous avons étudié et optimisé la synthèse d’hydroxyapatite par la méthode de précipitation aqueuse pour un dopage au magnésium de 1, 2, 5 et 10 % en masse. Caractérisations physicochimiques (DRX, MEB, densité), biologiques (cytotoxicité) et mécaniques (microdureté, élasticité) ont été menées (poudres ou pastilles frittées ou non). Nous avons montré l'apparition de TCP à partir de 2 % Mg, la densité des échantillons diminuant quand la teneur croît. Le dopage accroît la microdureté et le module d’Young. Aucune cytotoxicité n'a été révélée mais une importante baisse d’activité cellulaire a été remarquée pour 10 % de magnésium. Une légère augmentation a été observée pour 1 %. L'aptitude à la mise en forme a été appréciée via le coulage d'une réplique d'un implant intervertébral. Le dopage d'HA à 1 % Mg s'avère être à tout point de vue le compromis optimal. / For the filling of a loss of tissue, the graft is a current process in bone surgery, but a significant deficiency leads to the use of artificial materials. Alternative to metallic implants, bone substitutes bioceramics have insufficient efficacy in many indications: problem of integrating a large volume, inadequate long-term resistance, low bioreactivity. Doping these bioceramics is an interesting way but many of dopants have conducted to cytotoxic effects or to the degradation of mechanical properties. Magnesium has been studied as a dopant of hydroxyapatite for low contents, improving thebioceramic without affecting its biocompatibility. However, high contents and the optimization of the synthesis of such a doped bioceramic have been little studied. We investigated and optimized the synthesis of hydroxyapatite by the aqueousprecipitation process for magnesium doping of 1, 2, 5 and 10 wt%. Physico-chemical (XRD, SEM, density), biological (cytotoxicity) and mechanical (microhardness, elasticity) characterizations were conducted (on powders or pellets sintered or not). We have shown the occurrence of TCP from 2% Mg, the density of samples decreasing when the content grows. The doping increases the microhardness and the Young’s modulus. No cytotoxicity was revealed but a significant decrease in cellular activity was noted for 10% magnesium. A slight increase was observed for 1%. The ability to form an implant was assessed via the slip casting of a replica of an intervertebral implant. Doping HA to 1% Mg was found to be at any point of view the optimum composition.

Avec de nombreuses qualités exceptionnelles (biocompatible et ostéogénique), la nacre représente un biomatériau naturel comme substitut osseux. Mais les composés ostéogéniques dans la nacre ne sont pas encore connus. Nos travaux visent à l’identification des composés ostéogéniques de la nacre. L’ESM (éthanol soluble matrix) est un extrait de la nacre qui est démontré ostéogénique. A partir d’ESM, nous avons essayé plusieurs approches pour cibler et identifier ces composés. Grâce au couplage des cellules MC3T3-E1 et d’ostéoblastes humains arthrosiques, nous avons démontré que la partie cationique d’ESM est ostéogénique, sans interaction avec la partie anionique. Le calcium joue un rôle dans l’activité ostéogénique d’ESM. Ensuite, nous avons créé une lignée cellulaire exprimant de manière stable un plasmide contenant un gène rapporteur ostéogénique (ATDC5 pMetLuc2 ColX promoteur). Grâce à cette lignée, nous avons découvert que les lipides et les sucres présents dans l’ESM ont un effet ostéogénique. Les peptides précipités par TCA sont aussi démontrés ostéogéniques, et ont conduit à leur identification partielle par LC-MS. Ces résultats nous permettent d’avancer plus loin et plus rapidement vers l’identification des composés ostéogéniques de la nacre et vers les applications de la nacre en orthopédie clinique / With many exceptional qualities (biocompatible and osteogenic), nacre represents a natural biomaterial as a bone substitute. However, the osteogenic compounds in nacre are not yet known. Our work aims at the identification of the osteogenic compounds in nacre. The ESM (soluble ethanol matrix) is an extract of nacre that is shown to be osteogenic. From the ESM, we have tried several approaches to target and identify these compounds. Thanks to the coupling of MC3T3-E1 cells and the human osteoarthritis osteoblasts, we demonstrated that the cationic part of the ESM is osteogenic, without interaction with the anionic part. Calcium plays a role in the osteogenic activity of the ESM. Then, we created a cell line stably expressing a plasmid containing an osteogenic reporter gene (ATDC5 pMetLuc2 ColX promoter). Thanks to this cell line, we found out that the lipids and sugars in the ESM have an osteogenic effect. The peptides precipitated by TCA are also demonstrated to be osteogenic, which have led to their partial identification by LC-MS. These results allow us to move farther and faster towards the identification of osteogenic compounds in nacre and the applications of nacre in clinical orthopaedics

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

Les maladies ostéoarticulaires représentent environ 10% de l'ensemble des pathologies identifiées en France chaque année. Ces maladies inflammatoires et dégénératives des articulations sont pour la plupart consécutives au vieillissement ou à un traumatisme et évoluent vers l'usure des cartilages, d'où un handicap sévère. Comme aucun traitement ne permet la réparation totale du tissu cartilagineux, la recherche médicale développe des techniques d'ingénierie tissulaire. Ces techniques utilisent des substrats polymériques et des cellules souches qui sont " contraints " de se développer pour former du tissu cartilagineux. Cependant, ces techniques ne peuvent pas encore être utilisées à l'échelle d'une articulation complète car il n'est pas possible de reproduire ex vivo à grande échelle la structure et les propriétés mécaniques et physicochimiques du cartilage articulaire. Dans ce contexte, les travaux de cette thèse ont permis de développer des matériaux polymères capables d'être implantés à l'échelle macroscopique dans les articulations pathologiques afin de combler l'usure des cartilages. Pour se faire, de nouveaux biomatériaux - hydrogels p(HEMA) - ont été obtenus en contrôlant le caractère hydrophile des hydrogels p(HEMA) au cours de leur synthèse chimique en présence de différents co-monomères (acide acrylique, acrylamide, acrylate d'éthylène et acrylate de butyle). Partant de là, les propriétés physicochimiques, mécaniques et tribologiques de ces nouveaux hydrogels ont été optimisées afin d'obtenir des propriétés similaires à celles du cartilage articulaire sain. Ensuite, la libération contrôlée de médicaments par ces hydrogels a été étudiée afin de minimiser les risques inflammatoires lors de leur utilisation en ingénierie tissulaire du cartilage articulaire.

Combler une perte osseuse est une nécessité fréquente en chirurgie. L’usage d’implants biocéramiques est limité, conduisant au delà de quelques cm3, inaccessibles à l’ostéogénèse, à une hétérogénéité intrinsèquement fragile et une vascularisation interrompue. Les biomatériaux hybrides sont une solution. Ensemencée, la céramique est mise en culture en bioréacteur, un fluide y circulant afin d'alimenter les cellules et d’évacuer leurs déchets.L’étude porte sur une céramique en phosphate de calcium dont l’architecture interne consiste en pores sphériques interconnectés de quelques centaines de microns de diamètre. Le choix du débit et de l'écoulement à travers ce matériau reste jusqu’ici empirique. Pour optimiser la culture, il s'avère cependant nécessaire de savoir les déterminer en tout point afin de pouvoir les optimiser et les reproduire et, à terme, d'optimiser le choix de la biocéramique.L'étude numérique s'impose car les grandeurs physiques finales recherchées (vitesses et pressions locales) ne sont pas mesurables sur la structure microscopique. Or, ces grandeurs optimisées permettent de définir les grandeurs d'entrée optimales. Le protocole débute par une modélisation de la microstructure et le calcul de la taille du VER afin d'identifier la perméabilité intrinsèque du milieu. Une analyse statistique de la répartition des contraintes tangentielles en fonction des grandeurs moyennes homogénéisées permet ensuite d'identifier les paramètres d'entrée optimaux dans le VER. Finalement, une optimisation globale de la résolution des équations de Navier-Stokes sur la structure homogénéisée permet de définir le paramètre final, à savoir le débit de contrôle du bioréacteur. / Repairing a bone loss is a frequent need in orthopaedic surgery. Though now much developed the use of bioceramic implants is limited: a bulk greater than a few cm3 does not allow a complete osteogenesis. So an intrinsic brittle heterogeneity remains with an interrupted vascularization. Hybrid biomaterials are a solution. Seeded ceramics are cultured in a bioreactor, a fluid flowing through the material to feed the cells and to clear their waste out.This study focuses on a calcium phosphate ceramic whose internal architecture consists of spherical interconnected pores of a few hundred microns in diameter. The choice of the flow rate or other flow parameters through the material remains far empiric. To optimize the cell culture, it is however necessary to know how to determine them at any point in order to optimize and reproduce them and eventually to optimize the choice of the bioceramic.A numerical study is necessary because the final desired physical parameters (local velocities and pressures) are not measurable on a microscopic structure. However, these quantities are used to define the optimal input values. The protocol begins in modelling the microstructure and determining the size of the representative elementary volume (REV) in order to identify intrinsic permeability of the material. A statistical analysis of the distribution of shear stresses based on homogenized average values then leads to identify optimal input parameters in the REV. Finally, a global optimization of solving of the Navier-Stokes equations on the homogenized structure leads to define the final parameter, namely the flow of control of the bioreactor.

Les maladies ostéoarticulaires représentent environ 10% de l’ensemble des pathologies identifiées en France chaque année. Ces maladies inflammatoires et dégénératives des articulations sont pour la plupart consécutives au vieillissement ou à un traumatisme et évoluent vers l’usure des cartilages, d’où un handicap sévère. Comme aucun traitement ne permet la réparation totale du tissu cartilagineux, la recherche médicale développe des techniques d’ingénierie tissulaire. Ces techniques utilisent des substrats polymériques et des cellules souches qui sont « contraints » de se développer pour former du tissu cartilagineux. Cependant, ces techniques ne peuvent pas encore être utilisées à l’échelle d’une articulation complète car il n’est pas possible de reproduire ex vivo à grande échelle la structure et les propriétés mécaniques et physicochimiques du cartilage articulaire. Dans ce contexte, les travaux de cette thèse ont permis de développer des matériaux polymères capables d’être implantés à l’échelle macroscopique dans les articulations pathologiques afin de combler l’usure des cartilages. Pour se faire, de nouveaux biomatériaux - hydrogels p(HEMA) - ont été obtenus en contrôlant le caractère hydrophile des hydrogels p(HEMA) au cours de leur synthèse chimique en présence de différents co-monomères (acide acrylique, acrylamide, acrylate d'éthylène et acrylate de butyle). Partant de là, les propriétés physicochimiques, mécaniques et tribologiques de ces nouveaux hydrogels ont été optimisées afin d’obtenir des propriétés similaires à celles du cartilage articulaire sain. Ensuite, la libération contrôlée de médicaments par ces hydrogels a été étudiée afin de minimiser les risques inflammatoires lors de leur utilisation en ingénierie tissulaire du cartilage articulaire. / Osteoarticular diseases re present approximately 10% of all diseases identified in France each year. These inflammatory and degenerative joint disease are mostly consecutive with age or injuries and the wear progress of cartilage, resulting in severe disability. Because no treatment will total repair the cartilage tissue, medical research is developing techniques based on tissue engineering. These techniques use polymer substrates and stem cells that are "forced" to develop into cartilage tissue. However, these techniques cannot be used across a run articulation because Il is not possible-to replicate ex vivo a large-scale structure and the physicochemical and mechanical properties of articular cartilage. In this context, the purpose of this thesis is to develop polymer materials that can be implanted at the macroscopic level in the joints disease that will fill the wear of the cartilage. To do so, new biomaterials - hydrogels p (HEMA)- were obtained by controlling the hydrophilic nature of hydrogels p (HEMA) during their chemical synthesis in the presence of various co-monomers (acrylic acid, acrylamide, acrylate ethylene and butyl acrylate). From there, physicochemical, mechanical and tribological properties of these novel hydrogels have been optimized to obtain similar properties to those of healthy articular cartilage. Then, the controlled release of drugs from these hydrogels was studied to minimize inflammatory when used in tissue engineering of articular cartilage.