This diploma thesis deals with the comparative analysis of the physiological, degenerative and postoperative state of the lumbar spine. The problem was solved by computational modeling using the finite element method. For this solution, it was necessary to create appropriate computational models. The spine physiological state was compared with cases of the lumbar spine with different levels of spondylolisthesis, cases of the lumbar spine with different sacral angles, and cases of lumbar spine with applied fixators. Based on the performed analyses, it was found that spine degenerative state has a great influence on the distribution of stress in the vertebral discs and the vertebra itself. Compared to the physiological state, with increasing level of the spondylolisthesis the stress in the vertebral discs increases, while the stress in the vertebral section decreases. Furthermore, the spondylolisthesis affects the force flow. The higher the level of the spondylolisthesis, the more the force flow is shifted onto the posterior articular ligaments. The best results in terms of the spine physiological state were achieved with the applied fixator model.

This thesis focuses on testing and improving Ti-6Al-4V ELI biomaterials, which are currently one of the most used titanium alloys in biomedicine (predominantly in orthopaedics and dentistry), in cooperation with research institutions and private companies developing and producing such materials. The metallic samples were previously modified by plasma electrolytic oxidation (PEO) with use of electrolytes of a different composition to induce development of a homogeneous TiO2 layer on its surface. In vitro interactions of human osteoblast-like cell line Saos-2 with the surface of Ti-6Al-4V ELI alloy samples are investigated. Initial cell attachment, spreading, morphology, cell population density, viability, calcium deposition and expression of selected osteogenic markers, e.g. collagen type I, alkaline phosphatase and osteocalcin, were evaluated on cultured cells. The cells behavior were then correlated with physicochemical properties of the material surface, such as its topography, roughness, wettability, surface layer chemical composition etc. The results are also compared with those obtained in cells cultured on control samples of untreated alloys as well as microscopic glass coverslips and bottom of standard polystyrene cell culture wells. The aim of this thesis is to select the most promising...

In this thesis, several types of scaffolds composed of different materials and designed structures and functions were fabricated by 3D plotting under mild conditions (room temperature and without using any organic solvent). Broad biomaterials including inorganic (such as calcium phosphate cement and mesoporous bioglass), organic (such as alginate and gelatin) and composite materials were prepared into printable pastes to plot as 3D scaffolds for bone tissue engineering. Organic/inorganic biphasic and bipartite structure, core/shell alginate/nano-hydroxyapatite and hollow fiber structure were designed and realized. Scaffolds with multi functions including suitable mechanical properties, sustained drug/protein delivery and in vitro vascularization were achievable. 3D plotting provided great achievements in the field of tissue engineering by preparing advanced scaffolds, as well as by plotting cell/matrix constructs, and even complex tissues and organs.

No description available.

Presented work deals with Biomechanical study of the facial skeleton. This work is focused on the fixation of the mandible after removal of a tumor from affected bone tissue. The aim of the work is to perform biomechanical study of the facial skeleton with subsequent detailed stress strain analysis of two mandible implants designed and manufactured for specific patients. The geometry model of mandible used for design of mandible implants and used for computational modelling has been obtained on the basis of CT data of two patients. A Theoretical-Clinical sub-study that deals with the comparison the CT data processing which is necessary for creating the model of geometry is a part of the thesis. Two models of mandible with applied mandible implant have been created for two specific patients with tumorous mandible bone tissue. Stress strain analysis has been performed for these two models. Results of the stress strain analysis of two models of mandibles with mandible implants are presented in the final chapters of the thesis. Findings of the biomechanical study have been published and applied in clinical practice.

Presented work deals with Biomechanical study of the facial skeleton. This work is focused on the fixation of the mandible after removal of a tumor from affected bone tissue. The aim of the work is to perform biomechanical study of the facial skeleton with subsequent detailed stress strain analysis of two mandible implants designed and manufactured for specific patients. The geometry model of mandible used for design of mandible implants and used for computational modelling has been obtained on the basis of CT data of two patients. A Theoretical-Clinical sub-study that deals with the comparison the CT data processing which is necessary for creating the model of geometry is a part of the thesis. Two models of mandible with applied mandible implant have been created for two specific patients with tumorous mandible bone tissue. Stress strain analysis has been performed for these two models. Results of the stress strain analysis of two models of mandibles with mandible implants are presented in the final chapters of the thesis. Findings of the biomechanical study have been published and applied in clinical practice.

La couche de nacre de la coquille de l'huître perlière Pinctada radiata des côtes tunisiennes est considérée comme un biomatériau ostéogénique prometteur. L’objectif de ce travail intitulé « Ostéogénie, intégration et qualité de la nacre d’un bivalve des côtes tunisiennes : Pinctada radiata (Leach, 1814) » consiste dans un premier temps à valoriser l’espèce P. radiata par sa qualité nutritionnelle par un suivi saisonnier de la composition de sa chair en lipides totaux et en phospholipides particulièrement les PC, PE, PS et PI. Les analyses effectuées ont montré que les lipides de P.radiata sont caractérisés par une richesse en acides gras polyinsaturés (AGPI) de la série n-3 qui dépasse 3 fois celle des AGPI de la série n-6. Ces AGPI de la série n-3 en particulier l’EPA (C20:5n-3) et le DHA (C22:6n-3), sont connus comme étant les AG les plus importants dans l’alimentation humaine puisqu’ils préviennent des maladies cardiovasculaires et des pathologies ostéo-articulaires. Par ailleurs, P. radiata de la région de Maharès présente la meilleure qualité de nacre en Tunisie. Les analyses biochimiques ont montré que cette région, constitue la meilleure localisation de cette espèce qui est loin des zones portuaires et des différentes origines de stress (pêche, exploitation, zone touristique etc…). En plus de cet aspect, la zone de Maharès renferme des pintadines présentant une bonne qualité en termes d’épaisseur de nacre. Nos résultats montrent que la composition, saisonnière, en acide gras des phospholipides et en particulier des glycérophospholipides (PE, PI, PS et PC) de la nacre est riche en acides gras saturés C14 :0, C16 :0 et C18 :0 particulièrement en hiver et dans un moindre degré au printemps. La nacre, substance ostéogénique, a été également caractérisée par un taux élevé de plusieurs AGPI de la série n-3 et n-6, particulièrement (18:3n-3, 18:4n-3, 20:5n-3, 22:5n-3, 22:6n-3 et le 20:4n-6). Pour démontrer les potentialités ostéogéniques des extraits de la nacre, nous avons utilisé un modèle "in vitro" utilisant 4 extraits lipidiques : l’extrait lipidique de la nacre de P.radiata (Ln), l’extrait lipidique de la chair de P.radiata (Lc), l’ESM (Ethanol soluble Matrix) de la nacre de P.radiata (Br) et l’ESM de la nacre de P.margaritifera (Bm). Nous avons comparé, in vitro, le pouvoir ostéogénique des extraits ESM des deux espèces P. radiata et P. margaritifera sur deux types de cellules les préchondrocytes ATDC5 et les préostéoblastes murins MC3T3. Les différents extraits (Ln, Lc, Br et Bm) induisent l’engagement des cellules MC3T3 vers le lignage ostéoblastique par l’activation des promoteurs des gènes spécifiques du tissu osseux, tels que: le collagène de type 1, l’ostéocalcine (OC), l’ostéopontine(OP) et le Runx2. Ces extraits induisent aussi l’engagement des cellules ATDC5 vers la différenciation endochondrale par l’activation des promoteurs des gènes spécifiques du tissu osseux, tels que: le collagène de type 1 alpha-1 (Col1a1), l’Aggrécane et le collagène de type X alpha-1 (ColXA1). De plus, nous remarquons que la fraction organique ou ESMr(Br) en comparaison avec celle de P.margaritifera (Bm) présente également les propriétés stimulantes de la nacre et la stimulation est même beaucoup plus importante. Ces résultats mettent en évidence, dans les modèles expérimentaux mis en oeuvre, l’intérêt des lipides. Ces derniers semblent jouer un rôle important dans cette stimulation. De plus, nous pouvons penser à la possibilité de l’association des molécules de nacre ou de biominéralisation avec les acides gras de la nacre et de la chair dans les défauts osseux à travers les sites actifs de l’os ou du cartilage humain présentant les différentes pathologies ostéarticulaires / The nacre layer of the shell of the pearl oyster Pinctada radiata of tunisian coast is considered a promising osteogenic biomaterial. The objective of this work entitled "Osteogenie, integration and quality of nacre of a tunisian coast bivalve: Pinctada radiata (Leach, 1814)" is a first step to enhance the species P.radiata its nutritional quality by seasonal monitoring of the composition of the flesh of total lipids and phospholipids in particular PC, PE, PS and PI. The analyzes showed that lipids of P.radiata are characterized by rich in polyunsaturated fatty acids (PUFAs) of the n-3 more than 3 times that of PUFAs n-6 series. These PUFAs of the n-3 series particularly EPA (C20: 5n-3) and DHA (C22: 6n-3) are known to be the most important AG in the food as prevent of the cardiovascular disease, and joint/ bone pathologies. Moreover, P. radiata of Mahares region has the best quality of nacre in Tunisia. Biochemical analyzes showed that this region is the best location of this species that is far from the port areas and different sources of stress (fishing, exploitation, tourist area etc ...). In addition to this aspect, the area contains pintadines having good quality in terms of thickness of nacre. Our results show that the seasonal composition of fatty acid of phospholipids in particular glycerophospholipids (PE, PI, PS and PC) nacre is rich in saturated fatty acids C14: 0, C16: 0 and C18: 0 especially in winter and spring in a lesser degree. Nacre, osteogenic substance, was also characterized by a high rate of PUFA of the n-3 and n-6 rate, especially (18: 3n-3, 18: 4n-3, 20: 5n-3, 22 5n-3, 22: 6n-3 and 20: 4n-6). To demonstrate the osteogenic potential of extracts of nacre, we have established an "in vitro" model using 4 lipid extracts: the lipid extract of nacre P.radiata (Ln); the lipid extract of the flesh of P.radiata (Lc), ESM (Ethanol soluble Matrix) of the mother-of P.radiata (Br) and ESM nacre of P. margaritifera (Bm). We compared “in vitro” osteogenic power ESM extracts of both species P. radiata and P. margaritifera on two types of cells the préchondrocytes ATDC5 and the murine preosteoblasts MC3T3. The different extracts (Ln, Lc, Br and Bm) induce engagement MC3T3 osteoblast lineage cells to the activation of the promoters of specific genes of bone tissue, such as collagen type 1, osteocalcin (OC), osteopontin (OP) and Runx2. These extracts also induce the commitment of ATDC5 cells to endochondral differentiation by activating specific genes promoters of bone tissue, such as collagen type 1 alpha 1 (COL1A1), the aggrecan and collagen type alpha 1-X (ColXA1). Moreover, we note that the organic fraction or ESMR (Br) compared with that of P. margaritifera (Bm) also has stimulant properties of nacre and the stimulation is even more important. These results demonstrate, in experimental models used, the interest of lipids. They seem to play an important role in this stimulation. Moreover, we can think about the possibility of the association of molecules or nacre biomineralization with the fatty acids of the nacre and flesh in bone defects through the active sites of bone or cartilage presenting the human osteoarticular different pathologies

En cas de pertes de substances osseuses de grande étendue, la capacité naturelle de réparation du tissu osseux n’est pas suffisante et nécessite d’être assistée. La greffe d’os autologue constitue actuellement la référence. Cependant, cette thérapeutique présente tout de même des inconvénients qui ont entrainé le développement de substituts osseux. Mais, aucun matériau à ce jour ne peut remplacer totalement l’os autologue, en raison notamment de la difficulté à recréer un système vasculaire fonctionnel au niveau du site lésé. Depuis quelques années, les espoirs se tournent vers la création d’un substitut osseux prévascularisé afin de pallier la principale limite des alternatives actuelles : l’établissement d’un réseau vasculaire au sein de ce biomatériau. Notre projet vise à évaluer l’effet stimulateur d’un composé naturel, les principes actifs de la nacre solubles dans l’éthanol (appelé Ethanol Soluble Matrix, ESM), à la fois sur les capacités angiogéniques de cellules de la lignée endothéliale et sur la différenciation ostéogénique de cellules souches mésenchymateuses (CSM) avec comme objectif le développement d’un substitut osseux prévascularisé. Dans un premier temps, nous avons montré que l’ESM stimulait les capacités angiogéniques des cellules de la lignée endothéliale : cellules endothéliales matures (HUVECs, cellules endothéliales issues de la veine ombilicale humaine) et cellules progénitrices endothéliales (CPEs) issues de sang de cordon. L'ESM, utilisé à la concentration de 200µg/mL, a permis de dépasser les résultats obtenus (expression génique et test fonctionnel) avec le milieu de culture de référence des CPEs : l’EGM-2 (Endothelial Growth Medium). Nous avons ensuite mis en évidence que l’ESM exerçait un effet stimulateur également sur les CSMs en augmentant l’expression de marqueurs spécifiques des chondrocytes et des chondrocytes hypertrophiques, suggérant une orientation de ces cellules vers une ossification endochondrale. En parallèle de ces travaux, nous avons étudié l’effet paracrine des CSMs sur les cellules de la lignée endothéliale, HUVECs et CPEs. Les vésicules extracellulaires de taille nanométrique (nEVs) ont montré leur capacité à induire une stimulation in vitro de la formation de réseaux vasculaires et de l’expression de gènes endothéliaux. Ces résultats encourageants soulignent la faisabilité de l’utilisation de l’ESM en tant que stimulus à la fois de l’angiogenèse des CPEs et de l’ostéogenèse des CSMs. Ce stimulus pourrait être associé aux nEVs issues de CSMs et aux CPEs au sein d’une matrice tridimensionnelle pour développer un substitut osseux prévascularisé / In case of critical-sized defects, the bone tissue ability of natural healing is not sufficient and needs to be assisted. The autologous bone graft is currently the gold standard. However, this solution has drawbacks that have led to the development of bone substitutes. Nowadays, no substitute is able to supply autogenous bone, due to the difficulties to mimic the vascular system. In recent years, the hopes are focusing on the creation of a prevascularized bone substitute to overcome the main limitation of current alternatives: the creation of a functional vascular network inside the substitute. Our project aims to evaluate the stimulating effect of a natural compound, the nacre extracts called Ethanol Soluble Matrix (ESM), both on the angiogenic abilities of endothelial cell lineage and on the osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells (MSCs) to develop a pre-vascularized bone substitute. First, we showed that ESM stimulates the angiogenic potential of two types of endothelial cells: mature endothelial cells (HUVECs, human umbilical vein endothelial cells) and endothelial progenitor cells (EPCs) from cord blood. The ESM, used at the concentration of 200µg/mL, exceeded results obtained with the reference culture medium of EPCs: the EGM-2 (Endothelial Growth Medium). Then, we demonstrated that ESM also exerted a stimulating effect on MSC by increasing the expression of chondrocyte and hypertrophic chondrocyte specific markers, suggesting an orientation of these cells towards endochondral ossification. In line with this work, we studied the paracrine effect of MSCs on endothelial cell lineage, HUVECs and EPCs. Nanoscale extracellular vesicles (nEVs) have been shown to induce an in vitro stimulation of the vascular network formation and of the endothelial gene expression. These encouraging results highlight the feasibility of using ESM as a stimulus for both angiogenesis of EPCs and osteogenesis of MSCs. This stimulus could be associated with MSC-derived nEVs and EPCs within a three-dimensional matrix to develop a pre-vascularized bone substitute

Dans le cas de larges pertes de substance osseuse, l’ingénierie tissulaire représente une alternative intéressante aux greffes. Cette technique consiste à associer des cellules à des biomatériaux dans le but de réparer le tissu. L'objectif de ce travail est l'étude de l'amélioration du potentiel ostéogénique des cellules souches mésenchymateuses issues du tissue adipeux humain (ASC), afin d’augmenter la formation de matrice osseuse en territoire ischémique. Nous avons montré que le fucoïdane, un polysaccharide d’origine marine, était capable d’améliorer la différenciation ostéogénique des ASC in vitro. Cependant, la combinaison de ces cellules avec des biomatériaux (granules de biphosphate de calcium) ne suffit pas à permettre une formation osseuse dans un modèle de pousse osseuse en site ectopique chez la souris. Afin d’augmenter l’angiogenèse, essentielle dans la réparation osseuse, nous avons associé les ASC à des cellules progénitrices endothéliales (appelées ECFC), dans ce modèle. Cette association ne permet d’améliorer que faiblement la formation osseuse. Nos études in vitro d'association de CPE et d'ASC ont montré que ces cellules en coculture étaient capables de synthétiser un grand nombre de cytokines impliquées dans les différenciations ostéogénique et angiogénique, telles que le transforming growth factor (TGFß1), l’insulin like growth factor (IGF-1) ou encore le vascular endothelial growth factor (VEGF). Dans nos conditions de culture, le surnageant de l’association des ECFC avec des ASC induit, par rapport au surnageant des ASCs seules, une inhibition de la différenciation ostéogénique dont le mécanisme reste à identifier.L’ensemble de nos données démontre le potentiel du fucoïdane dans l’ingénierie tissulaire osseuse et que les ASC seules ne sont pas capables de former de matrice osseuse. / In the case of large bone defects, tissue engineering represents an attractive alternative to transplantation. Tissue engineering is a combination of cells with biomaterials in order to repair tissue. The aim of this work was the study of the improvement of the osteogenic potential of mesenchymal stromal/stem cells derived from human adipose tissue (ASC) in the order to increase the formation of bone matrix in the ischemic territory. We have shown that fucoidan, a marine polysaccharide, was able to improve the osteogenic differentiation of ASC in vitro. However, the combination of these cells with biomaterials (biphasic calcium phosphate particles) is not enough to have bone formation in an ectopic bone growth model in mice. To promote angiogenesis, a crucial step in bone repair, we associated ASC with endothelial progenitor cells (called ECFC), in our model. This association promotes only lightly the bone formation. Our in vitro coculture studies of ECFC with ASC showed that the cells in coculture were able to synthesize several cytokines involved in angiogenic and osteogenic differentiation, such as transforming growth factor (TGF-ß1), insulin like growth factor (IGF-1) or vascular endothelial growth factor (VEGF). However, ASC in coculture did not express the receptors of these cytokines. In our culture conditions, the supernatant of the association of ECFC + ASC induces, compare to ASC alone, an inhibition of osteogenic differentiation which mechanism has to be identified.Our data show the potential of fucoidan in bone tissue engineering and that ASC alone did not promote bone matrix formation.

L’ingénierie du tissu osseux vise à concevoir un substitut tissulaire associant des cellules ostéoprogénitrices à une matrice tridimensionnelle capable de promouvoir la reconstruction osseuse, ouvrant la voie au développement de thérapeutiques substitutives à la pratique de la greffe dont les limitations sont bien connues.Le but de ce travail a été de développer un nouveau produit d’ingénierie tissulaire (PIT) destiné à la régénération osseuse constitué i) d’une matrice tridimensionnelle poreuse constituée de polysaccharides naturels biodégradables, ii) de cellules souches adultes issues du tissu adipeux humain (ADSCs) et d’identifier les conditions de culture optimales permettant le développement d’un produit fonctionnel pour une utilisation clinique. Nos résultats montrent que l’architecture et la composition de la matrice macroporeuse polysaccharidique permet de guider la différenciation ostéoblastique des ADSCs, en l’absence de facteurs ostéogéniques, et notamment en conditions de culture dynamique, grâce à l’organisation cellulaire en agrégats promouvant les interactions cellulaires. Les ADSCs peuvent être marquées à l’aide de nanoparticules superparamagnétiques et suivies in vivo de façon non invasive par imagerie par résonnance magnétique (IRM) au sein des matrices après leur implantation en site sous-cutané chez la souris. Les images IRM montrent que le matériau permet de délivrer une partie des cellules au niveau du site d’implantation participant probablement à un processus de réparation tissulaire. Enfin, en vue d’applications cliniques, un milieu de culture sans sérum répondant aux conditions GMP (Good Manufacturing Practices) pour la différenciation ostéoblastique a été développé par un industriel et validé au cours de ce travail de thèse.En conclusion de ces travaux, l’association d’une matrice macroporeuse composée de polysaccharides avec des ADSCs dans des conditions de culture spécifiques, en conditions dynamiques, semble pertinente et prometteuse pour des applications cliniques en ingénierie du tissu osseux. / Bone tissue engineering may associate osteoprogenitor cells to a tridimensional scaffold that can promote tissue reconstruction in order to replace bone grafting strategies whose limitations are well known. This study aims to develop a new tissue-engineered construct for bone regeneration constituted by i) a tridimensional polysaccharide-based scaffold, ii) adult stem cells extracted from human adipose tissue and identify the best culture conditions needed to develop a functional construct for clinical use. Our results show that this macroporous scaffold offers, without any osteoinductive factors, a suitable architecture and composition for driving osteoblastic differentiation of ADSCs especially when placing the tissue-engineered construct in dynamic conditions, thanks to cell aggregate conformation promoting cell-to-cell interactions. Thanks to ADSCs labeling, the tissue-engineered construct can be tracked in vivo in a non invasive way by magnetic resonance imaging (MRI), after their subcutaneous implantation. Results evidenced that this scaffold behaves as a cell carrier for of holding in its own cell fraction and delivering another fraction to the site of implantation for inducing a better tissue regeneration process. Finally, a serum free medium meeting standards GMPs (Good Manufacturing Practices) has been developed for inducing ADSCs osteoblastic differentiation as a first step towards clinical application.In conclusion, this polysaccharide-based scaffold associated with ADSCs, cultured under low fluid flow in a new bioreactor device, could be a relevant and promising tissue engineered construct for bone tissue engineering applications.