Physiologically relevant scaffold-based tissue engineered structures have been limited in scope and viability by the diffusion limits of oxygen and other nutrients and functions provided by native vasculature in vivo. This has prevented the maintenance of healthy cell populations in scaffolds that are more than 200痠 thick. Combining concepts from microfluidics with biomaterials engineering, this project set out to engineer a perfusable fibrin-based vascular network capable of physiologically relevant flow properties as well as diffusion that supports viable cell populations. To create this system, a small artery sized (1.5 mm wide) gelatin sacrificial structure was embedded inside of a block of robust fibrin gel (4.26% w/v fibrin) then melted and rinsed out to create a perfusable vascular network. Characterization consisted of morphometric and histological analyses for channel sizes compared to the sacrificial structures, particle tracking to observe flow properties, and fluorescent dextran diffusion to measure diffusivity into the fibrin scaffold. We found that channels derived from sacrificial structures maintain their size and shape inside of the gel. Flow properties of the fluid through the channels were found to be both laminar and within expected physiological rates compared to native vessels of similar sizes. Cells on the surface of the fibrin vascular device expressed fluorescent markers that were delivered through the vascular network and perfused through the fibrin scaffold. These findings suggest that a fibrin based vascular system may provide a platform creating a functional vascular layer and for developing tissue engineered systems of increased size and complexity.

Over the past three decades, the field of tissue engineering has witnessed significant advancements. However, a persistent challenge is the development of an approach to generate rapidly perfused vascular networks at scale to support engineered tissues of appreciable size and able to adapt to changing needs. Current techniques able to create perfusable channels such as 3D printing are resource intensive and have not overcome the inherent tradeoff between vessel resolution and assembly time, limiting their utility and scalability for engineering tissues. Here we present two sacrificial self-assembly techniques that collectively develop microvascular networks and can anastomose to a variety of engineered forms. The first is vasculogenic cellular self-assembly, which leverages the innate ability of endothelial and sacrificial support cells to spontaneously form a capillary network, which we term CAMEO, or Controlled Apoptosis in Multicellular Tissues for Engineered Organogenesis. By varying the removal timing of the support cells, we determine fibroblasts are necessary for the initial vascular morphogenesis in our engineered system, and that this initial support period is sufficient for the endothelial cells to form a perfusable vasculogenic network and enhance the function of primary hepatocyte aggregates. The second is a flexible and scalable technique we term SPAN – Sacrificial Percolation of Anisotropic Networks. It uses microvascular-scale sacrificial fibers that make contacts to span a volume above a percolation density threshold and are then degraded. The resulting interconnected anisotropic voids form a perfusable fluidic network within minutes. We show that SPAN relieves hypoxia compared to bulk gels only, and the resulting voids created by SPAN can be endothelialized in a scalable way. These simple platforms can generate conduits with length scales spanning arterioles to capillaries within constructs. We show that both techniques can be used in combination with common tissue engineering processes, paving the way for rapid assembly of adaptable and perfusable tissues. / 2026-01-17T00:00:00Z

Depuis près de 20 ans, l’ingénierie vasculaire est en plein essor, tentant d’apporter des solutions durables dans le traitement de pathologies cardio-vasculaires dont l’incidence est croissante. Utilisés pour le remplacement ou le pontage de vaisseaux obstrués voire lésés, les substituts vasculaires de petit calibre présentent encore des limites importantes, induisant, à plus ou moins court terme, le développement d’hyperplasie intimale ou de thrombose. Les multiples exemples de substituts vasculaires issus de l’ingénierie tissulaire décrits dans la littérature témoignent des difficultés rencontrées pour obtenir une prothèse qui réunirait à la fois des propriétés mécaniques adaptées au site d’implantation et des propriétés biologiques optimales pour assurer la fonction vasculaire. C’est dans cette problématique que se situe cette étude dont l’objectif est de définir la composante matricielle et la composante cellulaire idéales pour un substitut vasculaire de petit calibre. Pour cela, nous nous sommes intéressés aux hydrogels physiques de chitosane, dont les propriétés d’hémocompatibilité et de biorésorption sont reconnues. La composition physico- chimique adéquate d’un point de vue biologique et mécanique a été déterminée afin d’élaborer des tubes qui ont été par la suite endothélialisés. Par ailleurs, le mécanisme d’alignement cellulaire en réponse à un flux laminaire de type artériel, a été particulièrement étudié car il constitue un phénomène d’adaptation des CEs aux contraintes mécaniques perçues in vivo par l’endothélium. Cette caractérisation a permis de mettre en évidence le rôle essentiel d’IQGAP1 dans ce processus et d’initier une seconde étude visant la compréhension du mécanisme d’adhésion des CEs sur le chitosane. Finalement, en alliant recherche fondamentale et recherche appliquée nous avons élaboré un substitut vasculaire cellularisable in vitro et implantable in vivo. / Abstract

Objectifs. Les substituts vasculaires synthétiques sont à l’origine de nombreux échecs pour le remplacement des vaisseaux de petit calibre. L'émergence de l'ingénierie vasculaire ouvre des perspectives face à ce problème de santé publique. Le chitosane, polymère naturel, peut être utilisé comme matrice en ingénierie vasculaire. L'objectif de cette thèse était de produire des hydrogels de chitosane et d’étudier les propriétés mécaniques, biologiques et la biointégration. Matériel et Méthodes. Les hydrogels ont été caractérisés mécaniquement in vitro. En augmentant la concentration en chitosane, la résistance à la suture, à l’éclatement et les modules élastiques augmentaient de manière significative. Une série d'expériences, allant de l’évaluation in vitro à l’analyse in vivo de la biocompatibilité a été réalisée. In vitro, les hydrogels permettaient la prolifération des progéniteurs endothéliaux (EPCs) et étaient hémocompatibles. In vivo, les hydrogels n’étaient pas résorbés après 60 jours, dans un modèle d'implantation hétérotopique chez le rat. De plus, la biointégration du chitosane a été étudiée. In vitro, l’endothélium à la surface des hydrogels se comportait comme celui d’un vaisseau natif. In vivo, les hydrogels de chitosane étaient capables de moduler la réponse inflammatoire, dans un modèle d'implantation ectopique chez le rat, en favorisant la polarisation des macrophages vers le phénotype M2. Enfin, 2 tubes de chitosane ont été implantés avec succès pour des pontages carotidiens pendant 3 jours chez le mouton. Conclusion. En modulant la concentration de chitosane, nous avons produit des matrices avec des propriétés adaptées pour l’ingénierie vasculaire. / Aims. Vascular grafts made of synthetic polymers perform poorly in small-diameter applications. Consequently, there is strong clinical to produce small caliber vessels with better patency. The emergence of vascular engineering opens new possibilities. Chitosan, a natural polymer, can provide a scaffold for vascular engineering. The goal of this thesis was to produce chitosan-based hydrogels and to assess their biological and mechanical properties and their biointegration. Methods and Results. Hydrogels were mechanically characterized in vitro. By increasing chitosan concentration, suture retention value, average burst strength and elastic moduli increased significantly. A series of experiments ranging from in vitro biocompatibility tests to in vivo studies was performed. In vitro, chitosan supported human endothelial progenitor cells (EPCs) proliferation and was hemocompatible. In vivo, no resorption of chitosan was observed in a rat heterotopic implantation model. In addition biointegration of chitosan hydrogels were investigated. In vitro, chitosan endothelialized with EPCs behave as a native endothelium. In vivo, chitosan hydrogels were able of modulating the inflammatory response of injured host tissue by favouring polarization of macrophages towards the beneficial M2 phenotype in a rat ectopic implantation model. Finally, as a proof of concept, 2 chitosan tubes were implanted successfully as carotid interposition grafts for 3 days in sheep. Conclusion. By modulating chitosan concentration, we produced scaffolds with suitable properties to be implanted in vivo.

L'incidence des maladies cardiovasculaires d'origine athéromateuse constitue un problème majeur en santé publique et malgré le développement de techniques curatives endovasculaires, la chirurgie demeure nécessaire chez de nombreux patients. La faible disponibilité des vaisseaux naturels, autologues ou non, et les limites mécaniques et biologiques des substituts artificiels pour le remplacement des vaisseaux de petit calibre, imposent le recours à une nouvelle science : l'ingénierie vasculaire. Ce concept a émergé et évolué depuis quelques années. Il pourrait permettre de proposer de nouveaux types de substituts vasculaires synthétiques et/ou biologiques, en particulier grâce à l'utilisation de cellules souches, ouvrant d'intéressantes perspectives dans le domaine de l'ingénierie vasculaire. Le but de ce travail a été d'obtenir de manière fiable et reproductible des cellules à phénotype endothélial mature à partir de cellules souches mésenchymateuses (CSMs) issus de la gelée de Wharton (GW) du cordon ombilical et de la moelle osseuse (MO). Cependant, la différenciation de ces cellules nécessite une fonctionnalisation de la surface de culture, et notre groupe a démontré l'avantage des films multicouches de polyélectrolytes, constitués de PAH (hydrochlorure de poly(allylamine)) et de PSS (poly(styrène sulfonate)), sur l'adhésion, la prolifération et la différenciation cellulaire. Les cellules ont été cultivées sur films (PAH-PSS)4 ou sur collagène de type I (témoin), en présence de facteurs de croissance angiogéniques. La différenciation en cellules endothéliales (CEs) a été suivie par l'expression des marqueurs endothéliaux (PCR et western blot), et la fonctionnalité par leur capacité à incorporer les lipoprotéines acétylées (Ac-LDLs) ainsi que la capacité à produire du monoxyde d'azote et à exprimé le facteur von Willebrand (vWF). Après 14 jours de stimulation, seules les CSM-GWs étaient différenciées en CEs fonctionnelles démontrant l'intérêt de combiner l'utilisation des CSM-GWs et des films (PAH-PSS)4 dans le domaine de l'ingénierie vasculaire / The incidence of cardiovascular disease remains a major public health problem. Despite the development of endovascular therapies, surgical treatment is necessary for many patients. The low availability of natural vessels, autologous or not, and the mechanical and biological limits of artificial substitutes, led to the use of a new domain: vascular engineering. In recent years, the concept has emerged and evolved. He could afford to offer new types of synthetic vascular substitutes and / or biological, in particular through the use of stem cells, offering interesting perspectives in the field of vascular engineering. The purpose of this study was to obtain a reliable and reproducible protocol to generate functional endothelial cells (ECs) from mesenchymal stem cells (MSCs) derived from the umbilical cord Wharton's jelly (WJ) and bone marrow (BM). Nevertheless, their differentiation into vascular cells needs a culture surface functionalization; our group demonstrated the potential use of polyelectrolyte multilayer made of poly(allylamine hydrochloride): PAH, and poly(styrene sulfonate): PSS, in promoting cells adhesion, proliferation and differentiation. Cells were cultured on (PAH-PSS)4 films or collagen type I (used as control), in the presence of angiogenic growth factors. Cells differentiation into EC was followed through the expression of endothelial markers (PCR and western blot); cell functionality was checked through their ability to incorporate acetylated LDL (Low Density Lipoprotein), to produce NO (Nitric oxide) and to express the von Willebrand factor (vWF). After 14 days of stimulation, only WJ-MSCs were able to generate functional ECs demonstrating the potential of combining WJ-MSCs and (PAH-PSS)4 films in vascular tissue engineering field

Les taux élevés de mortalité et de morbidité associés aux maladies vasculaires en font des pathologies dont les conséquences physiopathologiques, chirurgicales et socio-économiques sont d’une importance majeure pour le système de santé. Malgré leurs avantages, la disponibilité limitée des vaisseaux autologues a conduit au développement de prothèses synthétiques. Cependant, leur surface hautement thrombogène limite leur utilisation dans la substitution des vaisseaux de petit calibre (< 6 mm). De ce fait, à cause de leur obstruction précoce, la reconstitution d’une surface luminale proche de l’endothélium natif est incontournable. Pourtant, les revêtements de surface actuellement disponibles possèdent de médiocres qualités de rétention des néo-endothélium lorsqu’ils sont soumis à des contraintes de cisaillement physiologiques. Dans ce travail, nous proposons un substitut vasculaire de petit calibre endothélialisé réalisé à partir de trois éléments : 1) une matrice préparée à partir d’une artère ombilicale désendothélialisée, 2) un recouvrement de surface innovant constitué du film multicouche de polyélectrolytes (MPE) (PAH-PSS)3-PAH, et 3) un néo-endothélium constitué de cellules endothéliales matures ou progénitrices. Les études in vitro menées sur ces substituts ont montré que la formation, la rétention sous contraintes de cisaillement et la fonctionnalité du néoendothélium élaboré sur la surface luminale étaient améliorées par le film MPE. L’implantation du substitut par pontage termino-latéral sur le lapin a montré que le cahier des charges imputé aux substituts de petit calibre était rempli, principalement en termes de perméabilité et de diamètre, mais aussi de résistance à la suture et aux infections. En conclusion, le film MPE favorise le développement d’un substitut vasculaire de petit diamètre perméable à « long » terme et qui pourrait répondre aux exigences des chirurgiens / Vascular diseases with their high rate of mortality and morbidity belong to the pathologies involving important socio-economic factors for health system. Despite the advantages of autografts, the limited availability of autologous vessels has led to the development of synthetic prostheses. However, their high thrombogenic surface limits their use as small calibre vascular substitutes (< 6 mm). To prevent narrowing of small diameter vascular grafts, the reconstruction of a luminal surface close to the native endothelium is essential. However, the retention of the neo-endothelium subjected to shear stress is poor on the coatings currently available. In this work, we developed a small calibre endothelialized vascular substitute thanks to three elements: 1) a natural matrix prepared from umbilical artery, 2) an innovative coating based on the polyelectrolytes multilayer film (PEM) (PAH-PSS)3-PAH, and 3) used for cell culture of mature or progenitor endothelial cells. In vitro studies have shown that the formation, the retention under shear stress and the endothelial function of the neoendothelium on the luminal surface were improved by PEM film. The anastomosis of this substitute on rabbits has shown that the specifications essential to small calibre vascular grafts were reached, mainly in terms of permeability and diameter but also of resistance to suture and infections. In conclusion, PEM films helped us to develop a small diameter vascular substitute with long term patency