Elaboration et caractérisation d’une nouvelle génération d’apatite modifiée pour application biomédicale

Elaboration and characterization of a new generation of apatite Modified for biomedical application

• Auteur / Autrice : Soria Hamdaoui
• Direction : Olivier Gallet, Hafit Khireddine
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la vie et de la santé - Cergy
• Date : Soutenance le 02/03/2020
• Etablissement(s) : CY Cergy Paris Université en cotutelle avec Université Abderrahmane Mira - Bejaïa (Bejaïa, Algérie)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie (Cergy-Pontoise, Val d'Oise)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Equipe de recherche sur les relations matrice extracellulaire-cellules (Cergy-Pontoise, Val d'Oise)
• Jury : Président / Présidente : Boualem Saidani
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Séverine Alfonsi, Eric Champion, Sylvie Bonnamy, Mathilde Hindié

Mots clés

Mots clés libres

Polymére

Protéine

Électrodéposition

Hydroxyapatite

Protein

Polymer

Electrodeposition

Hydroxyapatite

Résumé

Cette méthodologie peut être présentée selon deux parties : Nous avons d’abord à maitriser l’élaboration du biomatériau (hydroxyapatite) et son étalement sur l’acier un substrat métallique. La méthode de dépôt sera choisie en fonction de la qualité du dépôt où un certain nombre de paramètres devraient être préalablement optimisés. L’état de surface du substrat est très important pour avoir une bonne adhérence, des traitements spécifiques seront réalisés lors de cette thèse. Les Techniques de caractérisation que cela soit sur la surface nue du substrat, sur la poudre hydroxyapatite ou sur le revêtement prothétique sont indispensables. Nous pouvons citer entre autres l’AFM, l’angle de contact, la nanoindentation, les analyses thermodynamiques, MEB, DRx, Infra rouge, Raman, XPS etc…Ceci nous permettrait de situer ou de comparer nos résultats par rapport à ceux donnés par la littérature. Puis vint l’étape au niveau du dopage du biomatériau. Un (ou des) biopolymère (s) sera (seront) sélectionné (és) afin d’introduire d’autres groupements fonctionnels au niveau du biomatériau. Pour la fonctionnalisation, une stratégie de type RIP (réseau interpénétré) pourrait être envisagé lors de l’étape de traitement électrochimique en combinant le dépôt d’HA dans un réseau de polymères chimiques (PLA, PLGA) ou biologique de différentes origines (protéines matricielles de plasma sanguin, glycosaminoglycanes, polymères végétaux, polysaccharides de végétaux…) Les conditions de dépôts électrochimiques de l’HA devront être favorables au transfert du chimio ou bio polymère afin de former une structure mixte cohérente à la surface du matériau. Pour accentuer les caractères d’ostéointégration des biomatériaux proposés nous nous attacherons à maitriser la formation d’un réseau complexe interconnecté favorisant l’adhérence et la colonisation cellulaire et permettant via sa porosité ou ses caractéristiques chimique une délivrance moléculaire de protéines de l’immunité ou d’agents naturels antiseptiques. Dans un contexte de santé publique le challenge consiste à proposer un biomatérieux implantable avec les meilleurs garanties d’ostéointégration ( topologie de surface, charges de surfaces, biofonctionalisation, capacité d’adhérence cellulaire…) dopé par des protéines autologues du patient et/ou par des molécules biosourcées afin de limiter les risques de contamination, renforcer le travail et la compétence de l’équipe chirurgicale, favoriser la régénération tissulaire osseuse tout en maitrisant les aspects économiques et pratiques dans le souci d’une application médicale et vétérinaire à large spectre. La rupture passerait par exemple par le choix délibéré de ne pas co intégrer dans le biomatériau des facteurs de croissance de type (BMP : bone morphogénoprotéines) pour deux raisons essentielles : - La controverse actuelle sur les conséquences négatives d’apport exogène de BMPs (risque de développement de cancer, formation d’ossifications non controllée…) - La gestion de l’origine et du coût de ses facteurs de croissance (problème de traçabilité, de certification, de disponibilité..) et les risques liés à distribution de ces molécules vers les milieux hospitalier (exemple de la rupture de la chaine d’approvisionnement en BMP2 par Medtronic entre juillet 2015 et janvier 2016)

The objective of the work presented in this manuscript is the developpement of sequential coatings on 316L stainless steel supports by electrochemical approaches in order to generate biomaterials for the orthopedic surgery. The multi-composite biomaterials are formed by a 316L steel support, an electroconductive polymer coating, the polypyrrole (PPy) followed by a phosphocalcic coating (PCa) more or less doped by addition of silicon ( in a range of 0.1 to 2mM of Si).Physicochimical approaches (profiling, thickness measurement…) allowed us to establish that the phosphocalcic coating doped with 0.5mM of silicon has the best compromise (roughness and thickness) for our coatings in our study context.Several bio-fonctionnalization techniques (adsorption, combinatorial electrodeposition, electrochemical oxydation) of our implants with proteins from the blood plasma (fibronectine and fibrinogen) have been developped. To validate the impact of theses bio-recoveries, the morphology and the viability of these cells cultured on our different types of supports were studied. The silicon doping of supports coated with PCa also exhibits increased viability of pre-osteoblasts cultured in their contact.In conclusion, this thesis work allowed to build a strategy of sequential coatings of a conductive polymer, a phosphocalcic coating doped by silicon and an eventual bio-fonctionalization via plasma proteins by electrochemical approaches of cyclic voltammetry and electrodeposition in order to increase the biocompatibility of the 316L stainless steel.The results obtained show that theses approaches are reproductible, operational, inexpensive and compatible with the constraints of the sterilization by autoclaving. The biomaterial thus generated have a better ability for cell colonization and increase the biocompatibility of the 316L steel. Through in vitro studies, our results open the way to the developement of new strategies for manufacturing multi-composite biomaterials usable for orthopedic applications.Keywords: Electrodeposition, cyclic voltammetry, polypyrrole, calcium phosphate, silicon, fibronectine, fibrinogen, multi-composite biomaterials, biocompatibility and pre-osteoblastic cells.