L'importance de l'os sous-chondral dans la pathogenèse et la prise en charge de l'arthrose intéresse les cliniciens et la communauté scientifique. En effet, il existe des liens forts entre l'os sous-chondral et le cartilage, maintenant l'intégrité de ce dernier reposant sur l'os sous-chondral pour fournir un support mécanique et un soutien nutritionnel. Ici, nous avons étudié la relation entre les structures osseuses et cartilagineuses et l'approvisionnement vasculaire dans l'arthrose de la humaine.Nous avons recueilli 37 plateaux tibiaux arthrosiques prélevés après arthroplastie totale du genou. Dans ces mêmes plateaux, plusieurs carottes ont été prélevées et scannés par microtomographie. Les projections résultantes ont été reconstruites, puis segmentées manuellement pour séparer l'os sous-chondral de l'os trabéculaire et une analyse microarchitecturale a été développée sous les deux structures osseuses. Les échantillons ont été décalcifiés, coupés en sections de 16 heures, colorés dans de l'HES et classés en 6 groupes selon l'échelle OARSI. La surface de l'os sous-chondral et l'épaisseur et la surface du cartilage articulaire ont été cultivées. Le nombre de vaisseaux dans le sous-chondral a été compté par deux opérateurs différents et une coloration immunofluorescente avec du VEGF a été effectuée. Enfin, le cartilage, l'os sous-chondral et trabéculaire ont été utilisés pour mesurer les marqueurs ribonucléiques et protéiques liés à la vascularisation, l'innervation et l'inflammation.La microstructure de l'os a évolué au fur et à mesure que l'arthrose s'aggrave. L'os sous-chondral s'est épaissi et est devenu plus poreux. La fraction volumique osseuse, l'épaisseur trabéculaire, l'espacement et le nombre de trabécules ont été corrélés positivement avec le score OARSI. Une diminution significative du nombre de vaisseaux sanguins a été observée au dernier stade de l'arthrose. Enfin, les marqueurs ribonucléiques et protéiques liés à la vascularisation, à l'innervation et à l'inflammation ont été modulés au cours du développement de la pathologie. Pris ensemble, nos données montrent une interaction et des structures de soutien dynamiques entre l'os sous-chondral et le cartilage. La compréhension des voies de signalisation, l'unité biochimique du cartilage dans les articulations et la communication intercellulaire entre le cartilage et l'os sous-chondral peuvent mener à l'élaboration de stratégies plus efficaces pour traiter les patients souffrant d'arthrose. / The importance of subchondral bone in the pathogenesis and management of osteoarthritis retain the interest of clinicians and the scientific community. Indeed, there are strong links between the subchondral bone and the cartilage, maintaining the integrity of the latter resting on the subchondral bone to provide mechanical and nutritional support. Here, we investigated the relationship between bone and cartilage structures and vascular supply in human osteoarthritis.We collected 37 osteoarthritic tibial plates taken after total knee arthroplasty. In these same plates, several carrots were removed and scanned by microtomography. The resulting projections were reconstructed, then manually segmented to separate the subchondral bone from the trabecular bone and a microarchitectural analysis was done on both bone structures. The samples were decalcified, cut into 4 μm sections, stained in HES and classified into 6 groups according to the OARSI scale. The surface of the subchondral bone and the thickness and surface of the articular cartilage were measured. The number of vessels in the subchondral region was counted by two different operators and a VEGF immunofluorescent staining was performed. Finally, cartilage, subchondral and trabecular bone were used to measure ribonucleic and protein markers related to vascularization, innervation and inflammation.The microconstructure of the bone has evolved as osteoarthritis worsens. The subchondral bone has thickened and become more porous. Bone volume fraction, trabecular thickness, spacing and number of trabeculae were positively correlated with the OARSI score. A significant decrease in the number of blood vessels was observed in the last stage of osteoarthritis. Finally, ribonucleic and protein markers related to vascularization, innervation and inflammation were modulated during the development of the pathology. Taken together, our data show dynamic interaction and support structures between subchondral bone and cartilage. Understanding of signaling pathways, the biochemical unity of cartilage in the joints and intercellular communication between cartilage and subchondral bone can lead to the development of more effective strategies for treating patients with osteoarthritis.

Les propriétés microvasculaires de la moëlle osseuse (MO) sont mal connues chez l’être humain. L’IRM de perfusion en permet une évaluation quantitative non invasive. La hanche a été choisie, car elle est la cible de pathologies fréquentes et handicapantes, qu’il est nécessaire de diagnostiquer plus précocement telle la coxarthrose. Nous avons d’abord implémenté une séquence IRM volumique à voxels isotropiques, avec une couverture large et une résolution spatiale élevée. Celle-ci a ensuite permis l’étude d’une série de 60 patients âgés de 18 à 60 ans, sans antécédent de pathologie osseuse et présentant une MO d’aspect normal en IRM. Les paramètres de perfusion semi-quantitatifs et pharmacocinétiques ont été mesurés dans 15 régions d’intérêt chez chaque patient. Tous les paramètres de perfusion diffèrent entre les zones de MO rouge et de MO jaune. La perfusion est différente entre les MO acétabulaire (squelette axial) et fémorale intertrochantérienne (squelette appendiculaire). Plusieurs paramètres sont corrélés de manière négative à l’âge. Plusieurs paramètres sont différents entre les hommes et les femmes. La perfusion de la tête fémorale est hétérogène, probablement en raison de l’exposition aux contraintes mécaniques. Les paramètres Ktrans, Kep et TTP sont corrélés à l’indice de masse corporelle, ce qui suggère que l’obésité influence le métabolisme de la MO. Enfin, le tabagisme et l’hypercholestérolémie ont une incidence sur ces mêmes paramètres dans certaines zones. Ils pourraient donc être le reflet d’altérations de la microvascularisation osseuse. Ces travaux ouvrent de nouvelles perspectives de recherche sur la physiologie et la pathologie de la MO. / Bone Marrow (BM) microvascular properties are insufficently known in humans. Dynamic-Contrast Enhanced (DCE) MRI allows its non-invasive quantitative assessment. We concentrated on the hip because this joint is frequently affected by debilitating pathologies such as osteoarthritis. Their early diagnosis is a current medical challenge. We implemented a 3D DCE-MRI sequence with isotropic voxels, high spatial resolution and a large coverage. It was used in a study of 60 patients aged 18 to 60, with no previous history of bone disease and with normal-appearing BM on MR images. Semi-quantitative and pharmacokinetic parameters were measured in 15 regions of interest in each patient. All the parameters were different between red and yellow BM. Perfusion was different between acetabular (axial skeleton) and femoral intertrochanteric (appendicular skeleton) BMs. Several parameters were negatively correlated with age. Perfusion was different in men and women. The femoral head perfusion was heterogeneous, likely because of mechanical load exposure. Ktrans, Kep and TTP were correlated with body mass index. This suggests that obesity influences BM metabolism. Smoking and hypercholesterolemia influenced these same parameters in several zones. We hypothesized that these parameters might reflect BM microvascular aletrations. Our results open new research perspectives both in the physiology and pathology of BM.

A limitation to engineering viable thick tissues (greater than a few hundred microns in thickness) has been the lack of vascularisation and a vascular supply. A key element in engineering such tissues is the generation of a supporting scaffold with a defined and wellcharacterized architecture. To date relatively little attention has been paid to characterization. The objective of this research was to develop well-characterized structures which will inform the rational design of the next generation of engineered thick tissues. Specifically, this research aimed to test combinations of various culturing environments, cell mono- and co-cultures, and scaffold architectures; develop improved imaging techniques and structural/spatial analytical methods to characterise porous polymer scaffolds; and use various spatial and morphological measures to quantify the relationships between scaffold geometric structure and cell distribution. Isotropic and anisotropic pore scaffolds were manufactured and then processed with nondestructive and destructive imaging methods, and characterised using image analysis methods to measure geometric parameters such as the degree of anisotropy/isotropy, porosity, and fractal parameters of pore and strut networks. Cells were introduced into scaffolds using a range of seeding methods and cultured in static and hydrodynamic environments. Quantification of the spatial cell distribution in cell-seeded scaffolds was done with first-order spatial statistics and fractal analysis. Findings comparing various destructive and non-destructive imaging methods found that cryotape cryohistology was the most accurate method for processing bare polymer scaffolds and eliminated histological artefacts common to other techniques. It was found with the various image analysis methods, surface and internal scaffold geometric architectures were strongly isotropic for porogen-fused porogen-leached scaffolds and anisotropic for TIPS scaffolds. For both isotropic and anisotropic pore scaffolds, collagen hydrogel infusion and droplet methods gave the highest cell seeding efficiencies (at 100% efficiency). The key finding in this study was that first-order spatial statistics and fractal analysis of cell distribution revealed that the geometric structure of the scaffolds had the strongest effect on spatial cell infiltration and distribution compared to the influence of culture environment or mono- and co-culture. Isotropic pore scaffolds had a higher level of cell distribution. Further work with optimizing the growth environment parameters, and utilizing collagen-infused cell-seeded scaffolds, may assist in achieving better cell growth. The work presented therefore provides the analytical basis for the rational design of tissue engineering scaffolds.

A limitation to engineering viable thick tissues (greater than a few hundred microns in thickness) has been the lack of vascularisation and a vascular supply. A key element in engineering such tissues is the generation of a supporting scaffold with a defined and wellcharacterized architecture. To date relatively little attention has been paid to characterization. The objective of this research was to develop well-characterized structures which will inform the rational design of the next generation of engineered thick tissues. Specifically, this research aimed to test combinations of various culturing environments, cell mono- and co-cultures, and scaffold architectures; develop improved imaging techniques and structural/spatial analytical methods to characterise porous polymer scaffolds; and use various spatial and morphological measures to quantify the relationships between scaffold geometric structure and cell distribution. Isotropic and anisotropic pore scaffolds were manufactured and then processed with nondestructive and destructive imaging methods, and characterised using image analysis methods to measure geometric parameters such as the degree of anisotropy/isotropy, porosity, and fractal parameters of pore and strut networks. Cells were introduced into scaffolds using a range of seeding methods and cultured in static and hydrodynamic environments. Quantification of the spatial cell distribution in cell-seeded scaffolds was done with first-order spatial statistics and fractal analysis. Findings comparing various destructive and non-destructive imaging methods found that cryotape cryohistology was the most accurate method for processing bare polymer scaffolds and eliminated histological artefacts common to other techniques. It was found with the various image analysis methods, surface and internal scaffold geometric architectures were strongly isotropic for porogen-fused porogen-leached scaffolds and anisotropic for TIPS scaffolds. For both isotropic and anisotropic pore scaffolds, collagen hydrogel infusion and droplet methods gave the highest cell seeding efficiencies (at 100% efficiency). The key finding in this study was that first-order spatial statistics and fractal analysis of cell distribution revealed that the geometric structure of the scaffolds had the strongest effect on spatial cell infiltration and distribution compared to the influence of culture environment or mono- and co-culture. Isotropic pore scaffolds had a higher level of cell distribution. Further work with optimizing the growth environment parameters, and utilizing collagen-infused cell-seeded scaffolds, may assist in achieving better cell growth. The work presented therefore provides the analytical basis for the rational design of tissue engineering scaffolds.

Submitted by (ana.araujo@ufrpe.br) on 2016-08-01T18:16:20Z No. of bitstreams: 1 Lazaro de Souto Araujo.pdf: 1002088 bytes, checksum: 0179db6f98801daecf203ce539a2b169 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-08-01T18:16:20Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Lazaro de Souto Araujo.pdf: 1002088 bytes, checksum: 0179db6f98801daecf203ce539a2b169 (MD5) Previous issue date: 2004-03-31 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / In this work we study the applicability of the fractal dimension as a parameter for description of the patterns of the retinal vessels in ophtalmically normal dogs. The following strategy was adopted: (i) development of an experimental procedure which permits obtaining digitalized photographs, with a contrast between the vessels and the eyes fundus sufficient for further numerical analysis; (ii) development of software for segmentation of the retinal vessels images and calculating the box-counting and radius of gyration fractal dimensions, and (iii) establishment of a standard curve for the fractal dimensions of the segmented vessels. The radius of gyration method was found to be more suitable for description of the segmented vessels then box-counting, and the properties of the corresponding normal curve were established. This methodology may prove useful for distinguishing between normal and pathological states of retinal vascularisation. / Neste trabalho estudamos a aplicabilidade da dimensão fractal como parâmetro para descrição dos padrões dos vasos retinianos em cães com visão normal. A seguinte estratégia foi adotada: (i) desenvolvimento de um procedimento experimental que permitiu obter fotografias digitalizadas, com contraste suficiente entre os vasos e o fundo de olho para permitir uma posterior análise numérica; (ii) desenvolvimento de um programa para a segmentação das imagens dos vasos retinianos e cálculo das suas dimensões fractais pelos métodos de contagem por caixas (box-counting) e de raio de giração (radium of gyration) e (iii) estabelecimento de uma curva padrão para as dimensões fractais dos vasos segmentados. O método do raio de giração foi o mais apropriado que o de contagem por caixas para a descrição dos vasos segmentados. Foram estabelecidas as propriedades da curva normal para a dimensão fractal calculada pelo método de raio de giração para as imagens segmentadas de fundos de olhos. É sugerido no trabalho que esta curva padrão pode ser útil para distinguir entre os estados normais e patológicos da vascularização retiniana.

Les biomatériaux interviennent dans de nombreuses applications médicales. La connaissance de leur évolution une fois implantés dans l’organisme est primordiale pour les améliorer et en créer de nouveaux. Dans cette optique, nous avons réalisé une modélisation à deux dimensions de la transformation d’un biomatériau en os. Pour cette modélisation, nous utilisons la théorie de la percolation. Celle-ci traite de la transmission d’information à travers un milieu où sont distribués un très grand nombre de sites pouvant localement relayer cette information. Nous présentons un modèle de double percolation sites-liens, pour prendre en compte d’une part la vascularisation (et/ou résorption) du biomatériau de l’implant dans un os, et d’autre part sa continuité mécanique. Nous identifions les paramètres pertinents pour d´écrire l’implant et son évolution, qu’ils soient d’origine biologique, chimique ou physique. Les différents phénomènes sont classés suivant deux régimes, percolant ou non-percolant, qui rendent compte des phases avant et après vascularisation de l’implant. Nous avons testé notre simulation en reproduisant les données expérimentales obtenues pour des implants de corail. Nous avons réalisé une étude des différents paramètres de notre modèle, pour déterminer l’influence de ceux-ci sur chaque phase du processus. Cette simulation est aussi adaptable à différents systèmes d’implants. Nous montrons la faisabilité d’une modélisation à trois dimensions en transposant la partie statique de notre simulation. / Biomaterials play an important role in many medical applications. To know how they evolve once inserted in the human body is essential to improve them and to create new ones. For this purpose, we have elaborated a two dimensional model for the transformation of biomaterial into bone. For this model, we have used the percolation theory. This general theory accounts for the transmision of information across an environment in wich a huge number of sites relay localy this piece of information. We present a double site-bond percolation model to account, on the one hand, for the vascularization (and/or resorption) of biomaterial implant in bones and, on the other hand, for its mechanical continuity. We identify the relevant parameters to describe the implant and its evolution, and separate their biological or chimical origin from their physical one. We classify the various phenomena in two regimes, percolating or non-percolating, which concern the two stages before and after the vascularization of the implant. We have tested our simulation by comparing them with experimental results obtained withcoral implants. We have studied how the various parameters of our model can influence each stage of the process. This simulation can also be applied to different types of implants. We show that a three dimensional model is possible by transposing the static part of our simulation.

En chirurgie vasculaire, l’accès à l’artère fémorale, qu’il soit par une incision chirurgicale ou par une approche percutanée, est très fréquemment utilisé pour une multitude d’interventions vasculaires ou endovasculaires; pour des pontages divers, le traitement d’occlusions artérielles, la réparation d’anévrismes et la pose d’endoprothèses. L’objectif général de ce projet de recherche est de faciliter et réduire les risques des approches de l’artère fémorale par une meilleure compréhension anatomique du triangle fémoral. La méthodologie a été réalisée grâce à l’utilisation de cadavres spécialement embaumés par la méthode développée par Walter Thiel. Les résultats présentés dans ce mémoire ont permis de proposer des solutions en réponse à des problèmes cliniques en chirurgie vasculaire. Dans un premier temps, l’étude de la vascularisation cutanée du triangle fémoral a mené à proposer de nouvelles incisions chirurgicales afin de limiter la dévascularisation cutanée des plaies et ainsi réduire les problèmes de cicatrisation observés. Ensuite, nous avons validé l’identification radiographique et échographique de l’artère fémorale à son croisement avec le ligament inguinal afin de faciliter l’identification d’un site de ponction artérielle adéquat. Enfin, nous avons développé une méthode échographique simple qui facilite l’approche percutanée de l’artère fémorale, même chez les patients obèses. Les retombées de ce projet de recherche sont multiples pour les cliniciens, l’étude fournit une meilleure compréhension anatomique tridimensionnelle du triangle fémoral et les techniques proposées dans ce mémoire pourront apporter une amélioration de la pratique chirurgicale et faciliter le travail des médecins. Toutefois, ces propositions devront maintenant être validées en clinique. / In vascular surgery, access to the femoral artery is frequently used either through a surgical incision of the groin or by a percutaneous approach in a wide variety of vascular and endovascular procedures; for multiple bypasses, treatment of arterial occlusions, aneurysms repair and placement of various stents. The general purpose of this study is to facilitate and reduces the risks of both the surgical and the percutaneous approaches of the femoral artery through a better anatomical understanding of the femoral triangle. The methodology was conducted on specifically embalmed cadavers according to the method developed by Walter Thiel. The results presented in this memory allowed us to propose solutions to clinical problems in vascular surgery. First, the study of the cutaneous vascularisation of the femoral triangle led to suggest new surgical approaches in order to reduce lesions of the cutaneous arteries and the potential devascularization of the borders of the wound yielding a better postoperative outcome. Then, we validated the radiographic and ultrasonographic position and identification of the inguinal ligament and the proximal femoral artery to facilitate the identification of a safe arterial puncture site. Moreover, we developed a simple method for ultrasound-guided arterial puncture, suitable for obese patients, to facilitate the percutaneous approach of the femoral artery. The benefits of this research project are multiple for clinicians, the study provides a better tridimensional anatomic understanding of the femoral triangle and the techniques proposed will lead to an improved surgical practice and facilitate the work of doctors. However, our work and propositions still need to be validated clinically.

La reparation de defauts osseux par les techniques de l’ingenierie tissulaire osseuse (ITO) est consideree comme une alternative aux greffes conventionnelles. L’objectif de ce projet de these fut de developper des materiaux destines a servir de scaffolds pour le comblement et la regeneration osseuse, ces derniers etant sous la forme d’hydrogels injectables d’une part, et d’eponges, d’autre part. Ces deux types de materiaux ont ete obtenus par melange de chitosane (CHT, cationique), et de polymere de cyclodextrine reticule par l’acide citrique (PCD, anionique), interagissant via des liaisons ioniques et formant des complexes polyélectrolytes. La premiere partie de la these a ete consacree au developpement et caracterisation d’une eponge CHT/PCDs qui a ete chargee avec le facteur de croissance de l’endothelium vasculaire (VEFG) dans le but de favoriser sa vascularisation. Le second volet de la these a eu pour objectif d’optimiser la formulation d’un hydrogel injectable destine a la chirurgie mini-invasive, compose de CHT et de PCD sous sa forme soluble (PCDs) et insoluble (PCDi) [CHT/PCDi/PCDs]. L'etude a ete concentree sur l’optimisation et la caracterisation des proprietes rheologiques de l’hydrogel. Enfin, une etude prospective sur le developpement de l'hydrogel/eponge composite en ajoutant une phase minerale - l'hydroxyapatite (HAp) dans la formulation a ete realisee afin d'ameliorer les proprietes mecaniques et osteoconductrices.L’eponges CHT/PCDs a ratio 3 :3 a ete obtenue par lyophilisation des hydrogels et a subi un traitement thermique (TT) afin d’ameliorer leur stabilite par la formation des liaisons covalentes. L’eponge CHT/PCDs avec un TT a 160°C a montre des proprietes de gonflement eleve (~600%) et une biodegradation ralenti induite par le lysozyme (~12% perte masse dans un mois). Sa microstructure, ses proprietes mecaniques de compression et sa cytocompatibilite avec deux types de cellules (pre-osteoblastes (MC3T3-E1) et endotheliales primaires (HUVECs) ont ete etudiees. Une porosite elevee (~87%) avec des pores interconnectes a ete observee par microtomographie de rayons X, ainsi qu’une bonne adhesion et colonisation cellulaire au sein de l’eponge par microscopie electronique a balayage (MEB). Le VEGF a ete incorpore dans l’eponge, et son profil de liberation a ete suivi, ainsi que la bio-activite du VEGF libere. La liberation du VEGF a ete rapide pendant les trois premiers jours, puis ralenti jusqu'a devenir non-detectable par la methode ELISA jusqu’a 7 jours. Le VEGF libere pendant les deux premiers jours a montre un effet pro-proliferation et pro-migration significatif sur les HUVECs.Les hydrogels injectables de CHT/PCDi/PCDs a differents ratios ont ete optimises et caracterises en fonction de leurs proprietes rheologiques, leur injectabilite, et leur cytotoxicite. L’impact de l’ajoute du PCDi dans l’hydrogel a ete clairement observe par analyses rheologiques Ainsi, l'hydrogel CHT/PCD, compose a parts egales de PCDi et de PCDs, a demontre le meilleur compromis entre stabilite structurelle, proprietes rheofluidifiantes et autoreparantes, et injectabilite. En plus, l’hydrogel a montre une excellente cytocompatibilite vis-avis les cellules pre-osteoblastes MC3T3-E1.Bases sur la formulation optimisee, l’HAp a ete incorporee a differentes concentrations dans l’hydrogel. L’ajout de la phase minerale n’a pas perturbe la formation ni la stabilite structurelle des hydrogels, mais a ameliore les proprietes viscoelastiques. Les eponges composites, elaborees par lyophilisation de ces hydrogels, ont montre que les particules de HAp etaient dispersees de maniere homogene dans la structure macroporeuse de l'eponge. Ces resultats encourageants ont montre qu'il etait possible de fournir un hydrogel injectable ou une eponge composite comme scaffold pour l’ITO [...] / Repair of bone defects by bone tissue engineering (BTE) methods is considered as an alternative to conventional grafts. The aim of this PhD project was to develop two types of BTE scaffolds for bone regeneration: one is in the form of injectable hydrogel, and the other is in the form of sponge. Both scaffolds based on the formation of polyelectrolyte complexes by mixing chitosan (CHT, cationic) and polymer of cyclodextrin (PCD, anionic). Besides developing the sponge scaffold, the vascularization of 3D scaffold (a challenge of BTE) was specially investigated in the first part of the work, for which vascular endothelial growth factor (VEFG) was loaded on the CHT/PCDs sponge to promote the vascularization. The second part of the thesis was dedicated to the elaboration of an injectable CHT/PCD hydrogel, which was intended for minimally invasive surgery. The formulation optimization of hydrogel was performed by tuning the composition ratios of two PCD components: soluble-form PCD (PCDs) and insoluble-form PCD (PCDi), in order to better reach the specific requirement (e.g. rheological properties) of injectable hydrogel for regenerative medicine. Finally, a prospective study on developing the composite hydrogel/sponge by adding a mineral phase - hydroxyapatite (HAp) in the formulation was realized to improve the mechanical and osteoconductive properties.CHT/PCDs sponges were obtained by freeze-drying the hydrogels CHT/PCDs 3:3. The thermal treatment (TT) at different temperatures was further applied on the sponge to improve the mechanical stability. The CHT/PCDs sponge treated at 160°C was opted for further study thanks to high swelling capacity (~ 600%) and moderate lysozyme-induced biodegradation rate in vitro (~ 12% mass loss 21 days). This sponge of choice was further evaluated for the microstructure, the mechanical property (compressive strength) and the cytocompatibility with pre-osteoblasts (MC3T3-E1) and endothelial cells (HUVEC). Results of X-ray microtomography showed a high porosity (~87%) in the sponge with interconnected pores. Good cell adhesion and in-growth (colonization) in the sponge were observed by scanning electron microscopy (SEM). After loading VEGF on the sponge, the release profile of VEGF and the bioactivity of released VEGF were thoroughly studied. It showed that the release of VEGF was rapid (burst) during the first two days, then slowed down up to non-detectable by ELISA method after 7 days. The released VEGF during the first two days showed a significant pro-proliferation and pro-migration effect on HUVECs.For the injectable CHT/PCDi/PCDs hydrogels, optimization of composition ratio was based on evaluating their rheological properties, injectability, and cytotoxicity. The beneficial effect of combining both PCDi and PCDs in the formula of the hydrogel was clearly observed on the properties of hydrogel. Namely, the CHT/PCD hydrogel, composed of equal quantity of PCDi and PCDs, demonstrated the best compromise between structural stability, shearthinning and self-healing properties, and injectability. An excellent cytocompatibility with preosteoblast cells (MC3T3-E1) was also confirmed for the hydrogel with this composition.Based on the optimized formulation, HAp was incorporated at different concentrations, which didn’t disturb the formation or the structural stability of the hydrogels, but improved the viscoelastic properties. The composite sponges, elaborated by lyophilization of these hydrogels, showed that the HAp particles homogeneously dispersed within the macroporous structure of the sponge. These encouraging results showed the feasibility of providing an injectable hydrogel or a composite sponge for BTE scaffold [...]

Les modèles numériques présents dans les salles de chirurgie requièrent simultanément une précision millimétrique, une vitesse de résolution importante, tout en prenant en compte la variabilité inter-patient. Dans l’étude proposée, nous développons un modèle numérique du foie, intégrant des lois de comportement hyper-élastiques ainsi que l’impact mécanique de la vascularisation. Une fois constitué, le modèle est traité par des outils mathématiques de réduction de modèles et d’apprentissage afin de fournir une réponse en temps réel. Pour cela, des données mécaniques sont extraites d’indentations numériques puis homogénéisées, pour construire un modèle numérique intégrant l’impact de la vascularisation. Une fois validé sur un échantillon réel les déformations simulées sont utilisées par une méthode d’apprentissage pour construire une réponse fonctionnelle. Une fois intégrée dans un outil chirurgical, ce dernier permet de fournir une réponse en temps réel des déformations du foie. / Numerical models used for surgical application require simultaneously a precision close to the millimeter, high speed resolution and to account for the patient variabilities. In the present study, we develop a numerical model of the liver, which relies on hyper-elastic mechanical behavior completed with the vascularization impact on the macroscopic level. Once completed and implemented, the model is treated with model reduction and learning tools in order to provide a real-time response. Mechanical properties are extracted from numerical indentations and homogeneised to build a model accounting for the impact of the vascularization. Once validated on a real sample, simulated deformations are used as input to a learning solution to build a functional solution. Finally, the function is integrated in a surgical tool, to provide a quick and precise representation of the liver deformations.

Le cil primaire est un organite présent à la surface de la plupart des cellules de Vertébrés. Il participe à l’organogénèse en régulant l’activité de voies de signalisation comme la voie Hedgehog. Une dysfonction du cil primaire mène à des maladies rares, sévères et pléiotropiques, les ciliopathies, qui peuvent inclure des défauts cardiaques. Cependant, le rôle que le cil primaire joue dans la morphogénèse cardiaque est encore mal compris. Le projet principal de la thèse porte sur l’étude du rôle du cil primaire des cellules cardiaques dans le développement du cœur. Dans ce but, nous avons utilisé un modèle murin de délétion conditionnelle de Ift20, un gène essentiel pour la ciliogénèse. La délétion est contrôlée par l’allèle Mesp1Cre exprimé dans la plupart des précurseurs précoces cardiaques. A la naissance, les mutants conditionnels présentent des défauts importants de septation des voies efférentes et des chambres cardiaques, les oreillettes et les ventricules. Ces défauts sont similaires à ceux caractérisés dans les mutants de la voie Hedgehog. Nous avons également identifié de nouveaux phénotypes associés à la suppression du cil. Les mutants présentent une augmentation significative de la taille du ventricule droit et des malformations du réseau de vascularisation coronaire. Pour mieux comprendre la cause des défauts de croissance observés à la naissance, nous avons analysé les comportements cellulaires sous-jacents. Aucune différence significative des taux de prolifération, de la taille et de la proportion des types cellulaires n’a été détectée au stade prénatal, suggérant que ces défauts ont une origine développementale plus précoce. Des expériences sont en cours pour déterminer les mécanismes moléculaires des défauts observés. Dans le cadre d’une collaboration avec le laboratoire de Julien Vermot, à Strasbourg, nous avons étudié le rôle du cil primaire dans le développement du proépicarde, un organe précurseur de l’épicarde du cœur mature. Nous avons montré que les embryons mutants Ift20 constitutifs présentent une augmentation significative du volume du proépicarde. Des analyses sont en cours pour identifier les voies de signalisation impliquées dans ce phénotype. Les travaux effectués durant ce projet de thèse ont permis de caractériser de nouveaux rôles du cil primaire dans le développement cardiaque. Nos résultats participent à une meilleure compréhension des ciliopathies et des défauts cardiaques qui leur sont associés. / The primary cilium is an organelle present at the surface of most of Vertebrate cells. It is involved in organogenesis by regulating signalling pathways such as Hedgehog signalling. Primary cilium dysfunction leads to severe, rare and pleiotropic diseases, ciliopathies, which can include cardiac defects. Howevr, the role that the primary cilia plays in cardiac morphogenesis is still poorly understood. The main project of the PhD focuses on the study of the role of primary cilia in cardiac cells during heart development. We have used a mouse mode of conditional deletion of Ift20, a gene essential for ciliogenesis. The deletion is controlled by the Mesp1Cre allele, expressed in the majority of cardiac precursors. At birth, conditional mutants display severe defects in septation of the outflow tract, the atria and the ventricles. These defects are similar to the ones characterized in Hedgehog signalling mutants. We also have identified novel phenotypes linked to cilium suppression. The mutants display a significant increase in the size of the right ventricle and defective coronary vasculature development. To better understand the growh defects observed at birth, we analysed the underlying cell behaviour. No significant differences in the proliferation rates, nor in the size and proportions of different cell types were detected at prenatal stages, suggesting that these defects have an earlier developmental origin. Experiments are underway to determine the molecular mechanisms of the observed defects. In collaboration with the laboratory of Julien Vermot, in Strasbourg, we studied the role of the primary cilium in the development of the proepicardium, a precursor organ of the mature epicardium. We have shown that Ift20 constitutive mutants show a significant increase in proepicardial volume. Analyses are ongoing to identify the signalling pathways involved in this phenotype. The works performed during this PhD project allowed the characterization of new roles for the primary cilium in cardiac development. Our results participate in a better understanding of ciliopathies and their associated cardiac defects.