La cicatrisation parodontale est un processus complexe, composé de quatre phases hautement intégrées (hémostase, inflammation, prolifération, remodelage), qui nécessite une interaction complexe entre les différents types tissulaires (épithélium, conjonctif, os) ainsi que la synthèse de médiateurs, tels que les hormones et les facteurs de croissance. La difficulté à pouvoir obtenir une régénération des tissus parodontaux est en partie due à la réponse inflammatoire qui interfère avec le processus de cicatrisation, via la surexpression des cytokines pro-inflammatoires, ainsi qu’à la croissance rapide des cellules épithéliales le long de la surface de la racine qui porte atteinte à la vraie organisation des tissus, essentielle à la régénération parodontale. Notre objectif a été de mettre au point des membranes nanofibreuses implantables à base de polycaprolactone (PCL) fonctionnalisés par plusieurs molécules actives (Alpha-Melanocyte Stimulating Hormone (α-MSH)), ibuprofène, atorvastatine) et implantables, permettant à la fois un contrôle physique et biochimique de la cicatrisation parodontale. En d’autres termes, nous avons cherché à ralentir la colonisation de la surface radiculaire par les cellules épithéliales et à moduler l’inflammation de la phase post-chirurgicale afin de promouvoir la cicatrisation parodontale. Pour cela, nous avons mis au point un modèle d’inflammation in vitro mimant le tissu superficiel du parodonte en utilisant des cellules parodontales, à savoir des kératinocytes et fibroblastes gingivaux humains, stimulées par du lipopolysaccharide de Porphyromonas gingivalis (LPS-Pg). Les résultats obtenus ont montré une bonne biocompatibilité des systèmes (α-MSH, ibuprofène) ainsi qu’une diminution de la prolifération, migration des kératinocytes, fibroblastes gingivaux humains et une diminution significative de l’expression des marqueurs pro- ou anti-inflammatoires (TNF-α, TGF-β, IL-6, IL-8), des marqueurs d’adhérence, de prolifération (Intégrine, Laminine, Fibronectine) et de remodelage (COL-IV). En conclusion, les stratégies développées (α-MSH, ibuprofène) au sein de notre laboratoire ont permis de mettre en évidence l’intérêt de délivrer une molécule anti-inflammatoire à partir d’un biomatériau et représentent un fort potentiel d’application clinique pour la parodontologie mais aussi pour la médecine de demain. / Periodontal wound healing is a process involving hemostasis, inflammatory phase, proliferation and maturation/matrix remodeling. These phases require cell-to-cell interaction of different cell types (epithelial cells, fibroblasts, osteoblasts, and cementoblasts) orchestrated by growth factors, cytokines and extracellular matrix components. After conventional periodontal therapy, wound healing corresponds more to tissue reparation than regeneration. This absence of true regeneration is considered to be mainly due to the competition between the different periodontal tissues (gingiva, cementum, alveolar bone) and the differential rate of proliferation, migration and differentiation of periodontal cells during wound healing. Therefore, the inflammatory response could interfere with the healing process depending on the secretion/activity level of matrix metalloproteinase (MMPs), cytokines, chemokines and also the imbalance with their antagonists/inhibitors, which leads to fibrosis and excessive scarring. Our aim was to develop implantable nano-fibrous membranes based on polycaprolactone (PCL) and functionalized by several active molecules (Alpha-melanocyte stimulating hormone (α-MSH)), ibuprofen, atorvastatin) allowing both physical control and biochemical periodontal healing features. Furthermore, we developed an in vitro inflammatory model mimicking the periodontal tissue surface, using periodontal cells ; keratinocytes and human gingival fibroblasts stimulated with lipopolysaccharide of Porphyromonas gingivalis (Pg-LPS). The results obtained showed good biocompatibility systems (α-MSH, ibuprofen) and a decrease in the proliferation and migration of keratinocytes, human gingival fibroblasts. Moreover, a significant decrease of pro- or anti-inflammatory markers expression (TNF-α, TGF-β, IL-6, IL-8), adhesion markers of proliferation (Integrin, laminin, fibronectin) and remodeling (COL-IV) could be achieved. In conclusion, the strategies developed in our laboratory (α-MSH, ibuprofen), have helped to highlight the interest of the release of an anti-inflammatory molecule from a biomaterial, and represented a strong potential for clinical application not only in periodontics but also in general medicine.

Le septum nasal joue un rôle prépondérant dans la croissance de l’étage moyen de la face et la physiologie ventilatoire. Sa solidité, sa rectitude et sa position sagittale sont déterminantes pour percevoir un confort respiratoire diurne et nocturne. Vulnérable aux traumatismes de part sa projection antérieure, la destruction ou l’inefficience de son squelette entraîne une demande de réparation fonctionnelle et esthétique. Dans les cas les plus sévères, le remplacement tissulaire fait appel à des volumineux greffons autologues pour lesquels la morbidité du site donneur et leurs imperfections propres restent un écueil. Pour les remplacer, certains biomatériaux ont été essayés de manière empirique sans donner de résultats fiables. Le premier objectif de notre travail été d’évaluer le comportement d’un implant phosphocalcique biphasique pour la reconstruction du septum nasal afin d’éviter ces greffons tout en répondant aux objectifs biofonctionnels locaux, au contact d’un milieu septique et susceptible d’être exposé aux particules aéroportées de l’environnement. Le deuxième objectif était d’évaluer la cytotoxicité des nanotubes de carbone à double paroi sur des cellules de l’arbre respiratoire, premier organe concerné par une exposition potentielle lors de leur fabrication. Par la suite, les résultats de ces deux sujets différents ont été utilisés de manière synergique pour répondre au troisième objectif qui était, d’évaluer l’influence des nanotubes de carbone sur la cicatrisation du septum nasal en présence ou non de l’implant phosphocalcique. / The nasal septum plays a paramount role in the growth of the face and respiratory physiology. Its solidity, its straightness and its sagittal position are determining to perceive a diurnal and night respiratory comfort. Vulnerable to the traumas, the destruction or the inefficiency of its skeleton involves request for a functional and aesthetic repair. In severe cases, the tissue replacement requires large autologous grafts for which the morbidity of the donor site and their own imperfections remain a problem. To replace them, certain biomaterials were tested in an empirical way without giving reliable results. The primary goal of our work was to evaluate the behaviour of a biphasic phosphocalcic implant to repair nasal septum in order to avoid these grafts with an adapted biofunctional implant, exposed to the septic nasal content and the airborne particles of the environment. The second objective was to evaluate the cytotoxicity of the double wall carbon nanotubes on epithelial respiratory cells, first organ concerned by a potential exposure during their manufacture. Thereafter, the results of these two different subjects were used in a synergistic way to answer the third objective which was, to evaluate the influence of the carbon nanotubes on the cicatrization of the nasal septum in presence or not of the phosphocalcic implant.

[EN] ABSTRACT In this Doctoral Thesis, the author carried out the biological evaluation of new silicon-based hybrid (organic-inorganic) coatings, synthesized by sol-gel route, used as osseointegrator and osteoinductor coatings applied to titanium radicular prosthesis in the dental implantology field. The biological evaluation of the new coatings consisted of a complete study to determine the effect of the coatings in the osteoblastic cell line and the tissular effects after the in vivo implantation in rabbit tibia (foreign-body reaction response and osseointegration), by histological study. The biological characterization was complemented with a physicochemical characterization of the materials, determining their topography, wettability, surface reactivity, as well as their degradation rate and silicon delivery, to explain the biological behaviour that each material induced. The coatings that showed a better cell behaviour were selected as material candidates for the in vivo implantation phase. This part of the work consisted of two experimental phases: (1) Characterization Phase I, from which one formulation prototype was obtained, and (2) Characterization Phase II, where different chemical improvements of the prototype were evaluated and a final coating prototype was selected. The degradable coatings that were obtained released silicon compounds during their hydrolytic degradation, inducing the implant osseointegration by distance osteogenesis. The new coatings offer the possibility to functionalize the titanium surface and serve like delivery vehicle of biomolecules and drugs that could improve and accelerate the titanium osseointegration process. / [ES] RESUMEN En esta Tesis Doctoral se llevó a cabo la evaluación biológica de nuevos recubrimientos híbridos (orgánico-inorgánico), sintetizados vía sol-gel, basados en precursores de silicio, como recubrimientos osteointegradores y osteoinductores aplicados a prótesis radiculares de titanio en el ámbito de la implantología dental. La evaluación biológica de los nuevos recubrimientos constó de un estudio completo para determinar el efecto de los recubrimientos sobre cultivos celulares de linaje osteoblástico y el efecto de los tejidos tras la implantación in vivo en tibia de conejo (respuesta de reacción a cuerpo extraño y osteointegración), mediante estudio histológico. La caracterización biológica se complementó con una caracterización físico-química de los materiales, determinando su topografía, su mojabilidad, la reactividad de su superficie, así como su grado de degradación y la liberación de silicio, para explicar el comportamiento biológico que cada uno de los materiales indujo. Los recubrimientos que presentaron un mejor comportamiento celular fueron seleccionados como materiales candidatos para llevar a la fase de implantación in vivo. Este trabajo constó de dos fases experimentales; (1) la Fase de Caracterización I de la que se extrajo una formulación prototipo, sobre la cual se realizaron mejoras químicas evaluadas en la (2) Fase de Caracterización II, de la cual fue elegido el recubrimiento prototipo final. Se obtuvieron recubrimientos degradables en cuya degradación hidrolítica liberaron compuestos de silicio que indujeron la osteointegración de los implantes recubiertos mediante osteogénesis a distancia, sin interferir en el proceso de osteointegración del titanio. Los nuevos recubrimientos ofrecen la posibilidad de funcionalizar la superficie del titanio y servir de vehículo de liberación de biomoléculas y fármacos que puedan mejorar y acelerar el proceso de osteointegración del titanio. / [CAT] RESUM En aquesta Tesi Doctoral es va dur a terme l'avaluació biològica de nous recobriments híbrids (orgànic-inorgànic), sintetitzats via sol-gel, basats en precursors de silici, com recobriments osteointegradors i osteoinductors aplicats a pròtesis radiculars de titani en l'àmbit de la implantologia dental. L'avaluació biològica dels nous recobriments va constar d'un estudi complet per determinar l'efecte dels recobriments sobre cultius cel¿lulars de llinatge osteoblástic i l'efecte dels teixits després de la implantació in vivo en tèbia de conill (resposta de reacció a cos estrany i osteointegració), mitjançant estudi histològic. La caracterització biològica es va complementar amb una caracterització fisicoquímica dels materials, determinant la seva topografia, la seva mullabilitat, la reactivitat de la seva superfície, així com el seu grau de degradació i l'alliberament de silici, per explicar el comportament biològic que cada un dels materials va induir. Els recobriments que van presentar un millor comportament cel¿lular van ser seleccionats com materials candidats per portar a la fase d'implantació in vivo. Aquest treball va constar de dues fases experimentals; (1) la Fase de Caracterització I de la qual es va extreure una formulació prototip, sobre la qual es van realitzar millores químiques avaluades en la (2) Fase de Caracterització II, de la qual va ser elegit el recobriment prototip final. Es van obtenir recobriments degradables, en la seva degradació hidrolítica van alliberar compostos de silici que van induir l'osteointegració dels implants recoberts mitjançant osteogènesi a distància. Els nous recobriments ofereixen la possibilitat de funcionalitzar la superfície del titani i servir de vehicle d'alliberament de biomolècules i fàrmacs per poder millorar i accelerar el procés d'osteointegració del titani. / Lara Sáez, I. (2015). Evaluación biológica de nuevos recubrimientos osteoinductores sintetizados vía sol-gel para aplicación en implantología dental [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/51463 / TESIS

Biomaterials-associated thrombosis is dependent critically upon electrochemical response of fibrinogen on material surface. The relationship between the response and anti-thrombogenicity of biomaterials is not well-established. Titanium oxide appears to have good anti-thrombogenicity and little is known about its underlying essential chemistry. We correlate their anti-thrombogenicity directly to electrochemical behaviors in fibrinogen containing buffer solution. High degree of inherent n-type doping was noted to contribute the impedance preventing charge transfer from fibrinogen into film (namely its activation) and consequently reduced degree of anti-thrombogenicity. The impedance was the result of high donor carrier density as well as negative flat band potential.

Gene therapy is a potential strategy for treatment of diseases caused by a gene defect. Recent studies are involved particulary in the cure of diseases caused by single gene defect (cystic fibrosis, haemophilia, muscular dystrophy etc.). Our work is part of a project aiming at developing ex vivo non-viral gene delivery systems that could be used for the treatment of ocular and cardiovascular diseases. The gene vectors are biodegradable polymeric carriers based on poly-α-amino acids. These polyplexes should transfect target cells which are supposed to be seeded on polyimide membranes. The biodegradable polymer membrane will be implanted into the retina or used as a coating for cardiovascular prosthesis. As a cover of the implantable membranes we used polymerized methacrylamide-modified gelatin forming hydrogels and mediating a growth support for transfected cells. We focus on material bio- and immunocompatibility/immunoacceptability. The results indicated a very good bio- and immunocompatibility of the gelatin B hydrogel both in vitro and in vivo. The gelatin B hydrogel did not cause erythrocytes lysis, stimulation of proliferation (spontaneous or mitogen-induced) of mouse or human lymphoid cells, neither production of cytokines or NO in vitro. Histological examination following subcutaneous...

The work presented in this thesis was conducted at Uppsala University and at Swerim AB. The study aims to broaden the knowledge about the corrosion of additively manufactured bioresorbable alloy WE43 in humanlike conditions for future applications. Biodegradable metal implants are implants meant to stay in the body and support the wounded bone for a certain time period, and then degrade as new, healthy bone forms in its place. Magnesium alloys have properties that are desired for these kind of implants as it is biodegradable, non-toxic and matches the mechanical properties of bone. Furthermore, magnesium alloy WE43, containing yttrium, neodymium and zirconium, already exist on the market as a powder extruded screw that treats Hallux valgus, thus proves the alloys compatibility as a bioresorbable implant. However, in order to optimize implants for specific situations, additive manufacturing can be a powerful tool. By utilizing the advantages of additive manufacturing, patient specific, complex designs implant can be manufactured rapidly in order to be used in a patient. On the other hand, additive manufacturing is a complex method with many aspects affecting the outcome. Therefore it is important to study the influence that different parameters have on the material's properties, especially the corrosion properties. This thesis aims to study different power settings on the laser in the manufacturing process and what effect it has on the microstructure as well as the corrosion properties of as built WE43 samples. Samples of three different parameters settings were manufactured with a Powder Bed Fusion-Laser Beam 3Dprinter. These samples were analyzed regarding surface roughness and microstructure with Light Optical Microscope, Scanning Electron Microscope, Energy Dispersive Spectroscopy, Electron Backscatter Diffraction and Alicona InfiniteFocus. Furthermore, the corrosion properties of the samples were investigated by collecting and measuring hydrogen gas that is released during the corrosion process. In addition, the electrolyte were examined regarding the change in ion concentration and electrochemical tests were performed. It was found that the samples did not differ substantially in microstructure as all three parameter settings exhibited a matrix of magnesium and precipitates of alloying elements. However, the sample manufactured at the lowest energy density had pores incorporated in the bulk. Despite the porous bulk this sample performed best in the immersion tests and exhibited the lowest corrosion rate over 28 days. The reason for this behavior is not determined, however possible causes are discussed and further studies are recommended.

Die Entwicklung und Erprobung von metallischen Implantatwerkstoffen mit biologischen Beschichtungen für den Einsatz im menschlichen Knochen verlangt, neben der Untersuchung grundlegender zellbiologischer Wechselwirkungen, eine ganzheitliche Betrachtung ihrer Wirkungsweise im lebenden Organismus. Die vorwiegend angewandte Methode zur Quantifizierung des Potentials von Biofunktionalisierungen metallischer Implantate ist dabei die histologische Auswertung. Diese stützt sich aber auf Informationen aus nur wenigen und eher zufälligen Schnittlagen im Probenvolumen, was mit einer hohen Anzahl an Tierexperimenten ausgeglichen wird. Mit der Mikrocomputertomographie steht neben der klassischen Histologie eine zerstörungsfreie Methode zur Verfügung, welche eine detaillierte dreidimensionale Darstellung des neugebildeten Knochengewebes ermöglicht. Die Abbildungsqualität des mineralischen Knochengewebes um Titanimplantate, als Grundlage für eine Vergleichbarkeit von Tomographie und Histologie, wurde anhand von drei Mikrofokus-Computertomographen und einem Synchrotron-Computertomographen am HASYLAB untersucht. Die tomographische Untersuchung von Hartgewebe einschließlich metallischer Implantate zeigte mit Hilfe von Synchrotronstrahlung die beste qualitative Übereinstimmung zur histologischen Bildgebung. Für die Quantifizierung der Knochenneubildung wurden interaktive Analysemodelle erarbeitet, welche eine vereinheitlichte Auswertung von histologischen und tomographischen Informationen erlaubt. Auf Grundlage der entwickelten Analyseprozeduren war es erstmals möglich, die statistische Belastbarkeit der Ergebnisse aus der histologischen und tomographischen Analyse zu untersuchen. Dabei konnte gezeigt werden, dass hinsichtlich der Herausstellung von Unterschieden bei der Osseointegration modifizierter Titanimplantate mit beiden Methoden ähnliche Ergebnistrends gefunden werden. Eine Signifikanz (p < 0,01) der Unterschiede bei der Knochenneubildung konnte jedoch ausschließlich mit der mikrotomographischen Analyse herausgestellt werden. Die Ergebnisse bei der Darstellung und Analyse des mineralischen Gewebes durch die Nutzung der Synchrotrontomographie gehen weit über die Grenzen der histologischen Untersuchungen hinaus. Durch den dreidimensionalen Charakter der Informationen ergeben sich dabei neue Bewertungsmodelle zur Beurteilung der Osseointegration von biofunktionalisierten Implantaten. Die mikrotomographische Analyse führt gegenüber der histologischen Auswertung durch die geringe Irrtumswahrscheinlichkeit der Ergebnisse bei deutlich verminderter Probenanzahl zu einer erheblichen Verringerung von Tierversuchen.

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Ziel dieser Arbeit war es, die Morphologie und mechanischen Eigenschaften von einzelnen nativen Typ-I-Kollagenfibrillen bei verschiedenen Umgebungsbedingungen zu untersuchen. Um auf der Nanometerskala die mechanischen Eigenschaften der Fibrillenoberfläche und des Fibrillenvolumens bestimmen zu können, wurde die dynamische (MUSIC-Mode) und statische (FD) Rasterkraftmikroskopie (engl.: Atomic-Force-Microscopy – AFM) genutzt. Die dynamische Spektroskopie erlaubte Rückschlüsse auf die Änderung der mechanischen Eigenschaften von Oberflächen (unter Einbeziehung der ersten 10 nm) bei Variation der Umgebungsbedingungen, wohingegen die statische Kraftspektroskopie Einblicke in das mechanische Verhalten der Volumenphase des Materials (Bulk) gestattete. Es wurden einzelne ovine (vom Schaf stammende) Kollagenfibrillen hinsichtlich ihrer mechanischen und morphologischen Veränderung als Folge von variierten Umwelteinflüssen (Salzkonzentrations-änderung des umgebenden Mediums sowie beim Durchlaufen des Peroxo-essigsäure/Ethanol-Sterilisationsprozesses) untersucht. Im Einzelnen konnte mit dem MUSIC-Mode-AFM und der FD-Spektroskopie die Denaturierung einer Kollagenfibrille in Abhängigkeit der Salzkonzentration beobachtet werden. Ebenfalls konnte mittels der MUSIC-Mode und der FD-Spektroskopie für mehrere Fibrillen unterschiedlichen Durchmessers nachgewiesen werden, dass während des Entfettungsschrittes des Peroxoessigsäure/Ethanol-Sterilisationsprozesses irreversible Veränderungen ihres Quellverhaltens sowie ihrer mechanischen Eigenschaften auftreten.:1 Einleitung ...................................................................................... 8 2 Zielstellungen dieser Arbeit .......................................................... 9 3 Kollagen ...................................................................................... 10 3.1 Aufbau und Struktur .......................................................................... 10 3.2 Die Rolle des Wassers und der Einfluss des Salzes auf die mechanischen Eigenschaften von Kollagen .......................................... 14 3.3 Einfluss der Sterilisation auf Kollagen ................................................ 20 3.4 Bisherige Untersuchungen von Kollagen mit dem AFM – Stand der Technik .................................................................. 24 4 Methoden .................................................................................... 29 4.1 Rasterkraftmikroskop (Atomic Force Microscope–AFM) .................... 29 4.1.1 Statische Kraftspektroskopie ........................................................... 33 4.1.2 Dynamische Kraftspektroskopie ...................................................... 35 4.1.3 Kontaktmodelle ............................................................................... 39 4.1.4 Spitze-Probe Wechselwirkungen ...................................................... 41 4.2 Infrarotspektroskopie [152] .................................................................. 48 4.2.1 Funktionsweise des ATR-FTIR ....................................................... 50 4.2.2 IR-Spektroskopie an Proteinen ........................................................ 51 5 Experimenteller Teil ................................................................... 53 5.1 Herstellung der Kollagenproben .......................................................... 53 5.2 Durchführung der AFM-Messungen .................................................... 53 5.2.1 Durchführung der AFM-Messung zum Kapitel „Einfluss der NaCl-Konzentration auf Typ-I-Kollagen“ ................................................. 54 5.2.2 Durchführung der Untersuchungen zum Sterilisationsprozess ......... 55

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