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Cell-surface engineering has been attracting increased interest in the field of biotechnology, tissue engineering, cell therapy, or biosensors/bioelectronics. Thin nanocoatings or sometimes referred as nanoshells allow for modifying and controlling variety of cell properties, specifically retardation of cell division or growth, masking immunological properties, providing chemical and mechanical resistance to external stressors, and ability to further functionalize shells in order to guide cells attachment, their proliferation and function in artificial environment. Bottom-up approach, utilizing layer-by-layer (LbL) assembly of wide variety of different components (synthetic and natural polyelectrolytes, nanoparticles, and other nano-structures) has been introduced and elaborated to modify cell surfaces. Despite successful examples of the LbL-based cell encapsulation with polyelectrolytes, cytotoxicity of their polycation components possesses severe limitations for this approach. Additionally, by constructing rigid non-permeable shells can suppress the essential properties of cells. In this view, the goal of this research is to explore the formation of cyto-compatible ultrathin coatings from synthetic and natural polymers through utilization of non-cationic counterparts, with possibility to actively control cell division, provide protection from external environment, and temper shell properties in order to elicit or change specific cell response.

Beaucoup d’applications en ingénierie demandent l’utilisation de matériaux intelligents qui peuvent se déformer en réponse à un stimulus extérieur. C’est dans ce contexte, que s’est posé ce projet de recherche. Bénéficiant d’un environnement pluridisciplinaire, grâce à l’association de deux axes de l'Institut Pascal : l’axe MMS (Mécanique, Matériaux et Structures) et l’axe PHOTON (Axe Photonique, Ondes, Nanomatériaux), cette thèse s’intègre parfaitement dans l’action transversale "Matériaux et Modélisations multi-échelles" du laboratoire. La première partie de ce travail s'appuie sur un système expérimental mis au point par une équipe américaine [Chang_10] qui permet la mesure sans contact du pH d'une solution en exploitant les caractéristiques photoniques du système. Ce système est composé d'un réseau d'hydrogel fixé sur un substrat rigide. Un modèle numérique est développé dans le but de simuler le fonctionnement de l'ensemble et d'optimiser le réseau d'hydrogel en vue d'applications dans le domaine médical. La seconde partie de ce travail concerne le développement d'une théorie sur le comportement mécanique de polymères sensibles à la lumière. L'objectif est d'établir une relation liant la déformation du matériau à l’intensité lumineuse. Les résultats obtenus sont comparés avec les résultats expérimentaux issus de la littérature. L'influence des interactions entre les molécules d'azobenzènes sur la déformation du matériau est étudiée. / Many engineering applications involve stimuli-responsive materials that can change their shape under the action of an external stimulus. It is in this context that this project takes place. Thanks to a multidisciplinary environment with the association of two lines of research of the Institut Pascal: the Mechanical area (Mechanic, Materials and structure) and the Photonic area (Nanostructures and Nanophotonics), this PhD perfectly fits with the “Materials and multi-scale Modeling” transversal action of the laboratory. The first part of this work relies on an experimental system developed by an American team [Chang_10] which allows to measure the pH of a solution without contact, making use of its photonic characteristics. This system is composed of a hydrogel network fixed on a rigid substract. A numerical model is developed in order to simulate its behavior and optimize the hydrogel network with a view to applications in the medical domain. The second part of this PhD is related to the development of a theory on the mechanical behavior of photo-sensitive polymers. The aim is to establish a link between the material deformation and the light intensity. The obtained results are compared to experimental ones from literature. The interaction influence of the azobenzenes molecules on the material strain is studied.

Le tissu osseux est caractérisé par sa matrice minéralisée qui est soumise à des activités de formation et de résorption assurant son renouvellement et son remaniement tout au long de la vie. En cas de lésions, l’os est capable de se réparer naturellement de façon à rétablir son intégrité et ses propriétés physiques. Cependant, certaines pathologies ou interventions chirurgicales peuvent aboutir à des pertes massives de substance osseuse et le processus naturel d’autoréparation est alors insuffisant. En première intention, la greffe osseuse est envisagée (autogreffe et allogreffe), néanmoins, du fait d’une disponibilité réduite et des risques de rejet et de transmission d’agents infectieux, cette technique n’est pas réalisable dans toutes les situations cliniques. Le chirurgien peut alors avoir recours à des biomatériaux ostéoconducteurs mais ceux-ci ne sont utilisables que dans le cas de comblement de défauts de petite taille car ils sont simplement un support passif à la néoformation osseuse. Ces limites pourraient être dépassées grâce au concept d’ingénierie tissulaire, en concevant des biomatériaux innovants ayant un fort pouvoir ostéogène conféré notamment par des facteurs de croissance ou des cellules ostéoprogénitrices. Dans notre travail, nous avons cherché à mettre au point un nouveau produit d’ingénierie tissulaire permettant la réparation de défauts osseux. La stratégie envisagée repose sur l’association d’un support tridimensionnel et de cellules souches adultes dérivées du tissu adipeux humain (ASC). L’originalité du système provient de la matrice tridimensionnelle, qui est un hydrogel thermosensible composé de monomère synthétique Glycosyl-Nucléoside-Fluoré (GNF) de faible poids moléculaire. Dans le domaine de la régénération osseuse, les hydrogels cellularisés sont généralement utilisés comme matrice associée à des molécules ostéogéniques (BMP2, Béta-Glycérophosphate) ou à des ions (Calcium : Ca2+, Phosphate : PO42-) pour permettre la differenciation ostéoblastique des cellules encapsulées dans le gel. Cependant, dans notre travail, nous n’avons pas fait appel à ces facteurs ostéogéniques. Notre étude a révélé que l’hydrogel de GNF possède les critères essentiels pour être utilisé en clinique : la non-toxicité, la biocompatibilité, la biodégradabilité, l’injectabilité et la biointégration. Des injections de complexe gel/ASC réalisées en site ectopique chez l’animal ont démontré que le gel se forme in situ en moins de 20 minutes et que les cellules encapsulées ont survécu pendant plusieurs mois. In situ, les ASC se sont différerenciées en ostéoblastes matures, exprimant la phosphatase alcaline et l’ostéocalcine et synthétisant une matrice extracellulaire riche en phosphate de calcium. Ces travaux ont donc permis de développer un produit d’ingénierie tissulaire innovant, associant un support tridimensionnel, l’hydrogel de GNF, à une composante cellulaire, les ASC. Cette matrice cellularisée apparaît prometteuse comme système injectable pour des applications cliniques de régénération osseuse. / Bone tissue is characterized by its mineralized matrix which is subject to formation and resorption activities ensuring its renewal and remodeling throughout the life. In case of damage, the bone can repair itself naturally to restore its integrity and its physical properties. Nevertheless, some pathologies or surgical procedures can lead to massive loss of bone and the natural process of self-repair is insufficient. First line, the bone graft is considered (autograft and allograft), however, due to reduced availability and risks of rejection and transmission of infectious agents, this technique is not feasible in all clinical situations. The surgeon can then make use of osteoconductive biomaterials but these are only usable in the case of filling of small defects because they are simply passive scaffold for bone formation. These limits may be exceeded through the concept of tissue enginee- ring, designing innovative biomaterials with high osteogenic power conferred by particular growth factors or osteoprogenitor cells. In our work we seek to develop a new product of tissue engineering to repair bone defects. The proposed strategy is based on the combination of a three-dimensional scaffold and adult stem cells derived from human adipose tissue (ASC). The originality of this system comes from the three-dimensional matrix, which is a thermosensitive hydrogel composed of synthetic monomeric Glycosyl-Nucleoside-Fluorinated (GNF) low molecular weight. In the field of bone regeneration, hydrogels are generally used as cellularized matrix molecules associated with osteogenic (BMP2, Beta-Glycerophosphate) or ions (Calcium : Ca2+, Phosphate : PO42-) to allow osteoblast differentiation of cells encapsulated in the gel. However, in our work, we have not used these osteogenic factors. Our study revealed that the hydrogel of GNF has the essential criteria to be used in clinical practice : non-toxicity, biocompatibility, biodegradability, injectability and biointegration. Injections of gel/ASC complex performed in animal ectopic site have showed that the gel is formed in situ within 20 minutes and encapsulated cells survived and proliferated for several months. In situ, ASC were differentiated into mature osteoblasts expressing alkaline phosphatase and osteocalcin and synthesizing an extracellular matrix rich in calcium phosphate. So, this work has allowed the development of an innovative product for tissue engineering, combining a three-dimensional scaffold, the GNF based hydrogel, a cellular component, the ASC. This cellularized matrix appears promising as injection system for clinical applications of bone regeneration.

Gegenstand dieser Arbeit war die Synthese von thermisch schaltbaren Kammcopolymeren auf Basis von N-(Isopropylacrylamid) (NiPAAm) und Polyethylenglykolmakromonomeren (PEGMA). Die intensive Charakterisierung der aus diesen Copolymeren hergestellten Schichten und deren Anwendung als Zellkultursubstrate war ein weiteres Forschungsziel dieser Arbeit. Die mit Hilfe der neuartigen Schichten erhaltenen Zellkultursubstrate wurden anhand verschiedener adhärenter Zelllinien erfolgreich getestet. Alle getesten Zelltypen (Mausfibroblasten, humane Endothelzellen der Nabelschnurvene und humane korneale Endothelzellen) proliferierten auf den angebotenen Zellkultursubstraten bei 37°C und konnten durch senken der Temperatur geerntet werden.

Gegenstand dieser Arbeit war die Synthese von thermisch schaltbaren Kammcopolymeren auf Basis von N-(Isopropylacrylamid) (NiPAAm) und Polyethylenglykolmakromonomeren (PEGMA). Die intensive Charakterisierung der aus diesen Copolymeren hergestellten Schichten und deren Anwendung als Zellkultursubstrate war ein weiteres Forschungsziel dieser Arbeit. Die mit Hilfe der neuartigen Schichten erhaltenen Zellkultursubstrate wurden anhand verschiedener adhärenter Zelllinien erfolgreich getestet. Alle getesten Zelltypen (Mausfibroblasten, humane Endothelzellen der Nabelschnurvene und humane korneale Endothelzellen) proliferierten auf den angebotenen Zellkultursubstraten bei 37°C und konnten durch senken der Temperatur geerntet werden.