La vertébroplastie est une procédure non-invasive visant à traiter les fractures vertébrales ainsi qu'à renforcer de manière prophylactique les colonnes vertébrales affectées par l'ostéoporose, particulièrement pertinente dans le contexte d'une population mondiale vieillissante, plus exposée à cette maladie. Malgré de nombreux avantages, l'adoption de cette procédure chirurgicale en tant que standard est ralentie par ses problèmes de sécurité, mettant en danger la vie des patients les plus faibles, pour qui l'accès au traitement est donc restreint. La voie d'amélioration suivie dans cette étude est l'aspiration couplée à l'injection du ciment médical, pouvant ainsi améliorer à la fois la sécurité du patient, mais également les performances de la procédure actuelle, tout en s'assurant d'un pragmatisme indispensable dans le milieu hospitalier. Après avoir choisi la technologie employée pour l'aspiration, un prototype expérimental est développé pour procéder à des essais expérimentaux. Ceux-ci permettent d'évaluer les paramètres importants pour le dimensionnement d'un prototype plus avancé, ainsi que de formuler des recommandations pour des tests complémentaires, participant à l'amélioration de la compréhension des mécanismes sous-jacents à l'augmentation osseuse par injection percutanée. Les retombées d'un tel procédé médical ne serait pas seulement utile pour le traitement des patients, mais également pour le domaine de la recherche traitant des nouveaux matériaux bio-injectables, qui alors jouirait d'un appareillage d'injection optimal.

Ce travail porte sur la mise au point, le développement et l’étude de la dégradation et de la biocompatibilité d’un nouveau ciment phosphocalcique modifié par ajout de strontium. Un ciment composite formé par l’insertion de microsphère de PLAGA a aussi été développé. Ces ciments ont un intérêt thérapeutique en orthopédie et en chirurgie maxillo-faciale pour le comblement ou le renforcement osseux. Les caractéristiques mécaniques, rhéologiques et radiologiques du ciment et du composite ont été évaluées et optimisées pour rendre leurs formulations à la fois résistantes, injectables et radio-opaque. Un travail de développement à été mené pour répondre au mieux au cahier des charges clinique de ce type de substitut osseux. La chimie de la réaction au sein du ciment à été étudiée pour connaître les mécanismes réactionnels, l’évolution et le produit final de la réaction de prise. Des tests in vitro sur la dégradation par dissolution passive des constituants du ciment et du composite ont été réalisés ainsi que l’étude de la biocompatibilité sur des cultures cellulaires. Des expérimentations animales sur la peau de souris et sur le tibia de lapin ont permis de confirmer la biocompatibilité du ciment et du composite et de donner une première évaluation de sa résorption et de son remplacement par du tissu osseux néo formé. / The aim of this thesis is to design and develop a new calcium phosphate cement modified by addition of strontium and a composite cement formed by the insertion of PLAGA microspheres.These cements have a therapeutic interest in orthopaedic and maxillofacial surgery for bone filling or reinforcement.The mechanical, rheological and radiological properties of cement and composite were evaluated and optimized to improve their mechanical strength, injectability and radio-opacity. Development works were conducted to meet clinical specifications required for this type of bone substitute.The cement chemistry was studied to determine the reaction mechanisms, evolution and the final product of the setting reaction. In vitro tests on the degradation of cement components and composites were performed and the biocompatibility was studied by cell cultures.Animal experiments on mouse skin and rabbit tibia have confirmed the biocompatibility of these cements and provide a preliminary assessment of its resorption and replacement by newly formed bone tissue.

L’ostéoporose est définie par une diminution de la masse osseuse et une altération de la structure osseuse. L’évaluation de l’architecture de l’os trabéculaire vertébral est un des enjeux majeurs de recherche actuels visant à la caractérisation des modifications du tissu osseux liées au vieillissement. Par ailleurs, le traitement de la fracture vertébrale ostéoporotique par vertébroplastie a démontré son efficacité. Le ciment actuel utilisé pour la vertébroplastie est le polyméthylméthacrylate. Ce ciment est efficace pour stabiliser la vertèbre et diminuer la douleur mais il existe une toxicité pour les tissus mous avoisinant, notamment la moelle en cas de fuite, et des inquiétudes quant au risque de fracture des vertèbres adjacentes. De nouveaux ciments biointégrables du type ciments phosphocalciques supplémentés en bisphosphonates pourraient avoir leur place à l’avenir dans le traitement des vertèbres.Notre travail de thèse s’est inscrit dans un projet pluridisciplinaire de recherche sur les altérations de la structure de l’os trabéculaire vertébral, reposant sur une analyse en imagerie médicale et une étude biomécanique, et sur le développement d’un nouveau ciment phosphocalcique supplémenté en bisphosphonates.L’ensemble de nos résultats pourra nous permettre :-D’améliorer la prédiction du risque de fracture vertébrale ostéoporotique-D’optimiser les nouveaux ciments biointégrables / The current definition of osteoporosis is a low bone mass associated with a microarchitecture deterioration. Vertebral trabecular bone microarchitecture assessment is an important research topic aiming at the characterization of the modifications of the bone tissue bound to ageing. On the other hand, the vertebral fracture treatment by vertebroplasty is known to be effective. Currently the cement used in vertebroplasty is the polymethylmetacrylate (PMMA). This cement stabilizes the vertebral fracture and decreases the pain, but there are a toxicity for nearby soft tissues, in particular spinal marrow in case of leakage, and concerns as for the risk of fracture of the neighboring vertebrae. In the future, new biointegrable calcium phosphate cement supplemented in bisphosphonate could be used in the vertrebrae treatment.Our work was based on a multidisciplinary project which aimed firstly at evaluating trabecular vertebral bone microarchitecture using medical imaging and biomechanical testing in this crucial anatomical region, secondly at developing a new calcium phosphate cement supplemented in bisphosphonate. Our results may lead to:- improve the fracture risk prediction in osteoporotic vertebra- improve the new biointegrable cements