Microstructures bioactives par électroimpression voie solvant pour la régénération tissulaire

Bioactive microstructures by wet direct-writing electrospinning for tissue regeneration

• Auteur / Autrice : Laura Bourdon
• Direction : Arnaud Brioude, Vincent Salles
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie et sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 12/11/2019
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Chimie (Lyon ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Multimatériaux et Interfaces (1995-....)
• Jury : Président / Présidente : René Fulchiron
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Arnaud Brioude, Vincent Salles, Catherine Picart
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Nadia El Kissi, Guy Schlatter

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microstructure (physique)

Foie -- Régénération (biologie)

Viscoélasticité

Mots clés libres

Electrofilage

Dépôt localisé champ proche

Viscoélasticité

Structure secondaire

Protéine

Régénération hépatique

Régénération parodontale

Wet direct-writing electrospinning

Viscoelasticity

Secondary structure

Protein

Hepatic regeneration

Periodontal regeneration

Résumé

Le dépôt localisé en électrofilage champ proche et voie solvant - ou appelé ici « électro-impression » - est une technique récente permettant de diriger le dépôt de filament en combinant un jet de polymère stable et un collecteur amovible comme une technique de fabrication additive. Ce travail de thèse a eu pour objectif de développer la technique d’électro-impression afin de produire des structures bioactives pour l’ingénierie tissulaire. Le développement de la technique a été initié par une étude fondamentale pour comprendre les mécanismes de stabilité du jet de polymère sous champ électrique. Il a alors été mis en évidence qu’en augmentant la viscoélasticité des solutions par augmentation de la concentration ou de la masse molaire du polymère, des jets stables sans lasso pouvaient être obtenus. Ces résultats permettent désormais de considérer un nombre de matériaux plus important pour l’électro-impression. Les mécanismes d’empilement de filament localisé ont ensuite été étudiés pour in-fine limiter l’apparition de défauts lorsque la structure accumule un nombre de couches important. Les essais préliminaires sur l’utilisation d’un air humide, d’un air ionisé ou des deux polarités du champ électrique ont montré des résultats prometteurs pour contrôler l’empilement de filaments. La protection et la libération de protéines à partir de filaments électrofilés est un défis toujours d’actualité pour l’ingénierie tissulaire. Ainsi, différentes formulations de polymères ont été testées afin de trouver un moyen de préserver au mieux la protéine. Une étude structurale d’une protéine modèle, l’albumine de sérum bovin (BSA), a été réalisée par dichroïsme circulaire afin de vérifier l’effet de la mise en forme sur l’activité de la protéine. Les résultats ont montré que la BSA est libérée à partir de filaments de poly acide (lactique-co-glycolique) (PLGA) selon une structure très proche de sa structure native ce qui laisse supposer que l’électrofilage n’a que peu perturbé les propriétés de la protéine. La cinétique de libération de la protéine à partir de filaments de PLGA a aussi montré que la protéine était libérée en plus grande quantité en présence de poly (éthylène glycol) (PEG). La bioactivité de structures fibreuses contenant des agents de croissance a ensuite été étudiée pour des applications de régénération hépatique et parodontale. Dans le premier cas, le potentiel de régénération hépatique de filaments de PLGA avec le facteur « hepatocyte growth factor » (HGF) n’a pas été testé mais les filaments ont induits des comportements reproductibles et intéressants sur des cellules hépatiques HepG2 en fonction de la teneur en HGF dans les filaments. Concernant la régénération parodontale, deux structures fibreuses organisées ont été testées : une structure composite de poly (caprolactone) (PCL) contenant des nanoparticules d’hydroxyapatite et une structure de filaments cœur-coquilles (PEG-PCL) contenant le facteur de croissance « cementum protein 1 » (CEMP1). Ces deux structures ont permis aux cellules du ligament parodontal de produire une matrice minéralisée ce qui n’a pas été observé sur les deux autres structures sans nanoparticules et sans CEMP1. Ces structures sont donc prometteuses pour la régénération de tissus durs du parodonte comme l’os ou le cément

Direct-writing electrospinning is a recent technique able to deposit fibers with a stable polymer jet on a moving collector similarly to additive manufacturing. The aim of this work was to develop the solvent-based direct-writing electrospinning technique and produce bioactive structures for tissue engineering applications. A first fundamental study have been carried out on the stability mechanism of the polymer jet under electric field. This study showed that stable jet without whipping behavior could be obtained by increasing polymer concentration or molecular weight and thus viscoelasticity. Those results give rise to a new strategy to optimize solution formulation and enlarge the number of materials used for direct-writing electrospinning. Mechanism of filaments stacking have also been studied in order to find solutions to produce higher organized structure without stacking defects. Preliminary tests showed that injection of humidified air, ionized air or the use of two polarities could reduce the number of stacking defects. Protection and release of protein from electrospun filaments is still a current challenge for tissue engineering. Then, different polymer formulation with a model protein, bovine serum albumin (BSA), was tested to find a way to preserve the protein. Secondary structure of bovine serum albumin (BSA) was investigated by circular dichroism to check protein activity. Released BSA in water from poly (lactic-co-glycolic acid) (PLGA) filament had a similar structure to its native one which means that electrospinning had a relatively low effect on BSA structure or that BSA show good structure reversibility. The kinetic release of BSA from PLGA filaments also showed that the presence of poly (ethylene glycol) (PEG) allow a higher amount of BSA to be released. The bioactive potential of filaments containing growth factors was tested for a hepatic and periodontal regeneration. The hepatic regenerative potential of PLGA filaments containing hepatocyte growth factors (HGF) could not been tested but a reproducible effect was noticed on hepatocyte cells HepG2 according to the amount of HGF in the filaments. Concerning the periodontal regeneration, periodontal ligament cells (PDLC) was cultured on different organized structures: a composite one made of poly (caprolactone) (PCL) and hydroxyapatite nanoparticles and the other one is made of core-shell PEG-PCL filaments containing cementum protein 1 (CEMP1). The two structures allowed the PDLC to produce a mineralized matrix which was not the case for the two other structures without nanoparticles and CEMP1. Thus, those bioactive structures showed promising regenerative potential for hard tissues like bone or cement.