Influence du greffage covalent de polymères bioactifs, sous irradiations UV, sur des échafaudages en fibres PCL électrofilées : Caractérisation de surface, étude des propriétés mécaniques et évaluation de la réponse biologique

Influence of the covalent grafting of bioactive polymers, under UV irradiation, onto electrospun PCL fibre scaffolds : surface characterization, study of the mechanical properties and evaluation of the biological response

• Auteur / Autrice : Gana Amokrane
• Direction : Salah Ramtani, Céline Falentin-Daudre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux - spécialité Biomatériaux
• Date : Soutenance le 11/10/2019
• Etablissement(s) : Paris 13
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Galilée (Villetaneuse, Seine-Saint-Denis)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de biomatériaux et polymères de spécialité (Villetaneuse, Seine-Saint-Denis)
• Jury : Président / Présidente : Najet Yagoubi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Véronique Migonney, Vincent Humblot
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Thibault Lemaire, Daniel Grande

Mots clés

Mots clés contrôlés

Génie tissulaire

Poly (epsilon-caprolactone)

Rayonnement ultraviolet

Électrogreffage

Mots clés libres

Polymères bioactifs

Bioactive polymers

Résumé

L'électrofilage, une technique pour la fabrication électrostatique de fibres, a suscité un intérêt croissant ces dernières années en raison de sa polyvalence et de son potentiel d'application dans divers domaines, notamment en ingénierie tissulaire. Le polymère polycaprolactone (PCL) a été approuvé pour une application biomédicale et offre d'excellentes propriétés mécaniques et une biodégradation lente, ce qui en fait un matériau approprié pour une utilisation comme échafaudage pour l’ingénierie tissulaire. Des études antérieures réalisées dans notre laboratoire ontmontré que le greffage covalent (méthode ''Grafting From'') de polymères ou copolymères bioactifs permet de surmonter l'hydrophobicité du PCL et peut favoriser l'adhésion et la différenciation cellulaire sur les échafaudages. Différents échafaudages en fibres PCL avec différentes microstructures ont été préparés par électrofilage. Le greffage de polymères bioactifs sur ces échafaudages a été réalisé en utilisant deux techniques de ''grafting from'' ; (i) le greffage par voie thermique pendant 1 ou 3 h qui nécessite une activation de surface par ozonation comme référence et (ii) le greffage UV pendant 1 heure avec ou sans activation de surface. Nous avons comparé ces techniques de greffage en termes de modification de surface, d'effets du processus de greffage sur les propriétés intrinsèques du PCL. Des essais in vitro ont étéréalisés pour observer le comportement des cellules fibroblastiques sur divers échafaudages fonctionnalisés présentant différents degrés d'hydrophilie de surface et les comparer entre eux, ainsi qu’à des échafaudages non greffés. La réussite du greffage de polymères ioniques sur les échafaudages en fibres PCL a été démontrée à l'aide de diverses techniques de caractérisation de surface. Les modifications possibles des propriétés intrinsèques du PCL ont été étudiéespar caractérisation mécanique, chromatographie d'exclusion stérique (SEC) et calorimétrie différentielle à balayage (DSC). Enfin, la biodégradation de ces échafaudages, à différents temps, a été évaluée dans différents milieux. Cette étude montre l'élaboration de différents échafaudages en fibre PCL, leur fonctionnalisation par greffage polymères bioactifs et l'appréciation des changements mécaniques et microstructuraux. Les essais biologiques in vitro ont montré l’effet favorable du polymère greffé sur la réponse cellulaire et que selon le type de microstructure de l'échafaudage, sa fonctionnalisation de surface par des polymères bioactifs et son hydrophilie de surface, différents comportements cellulaires peuvent être observés.

Electrospinning, an electrostatic fiber fabrication technique has evinced more interest in recent years due to its versatility and potential for applications in diverse fields especially in tissue engineering. Polycaprolactone (PCL) polymer has been approved for biomedical application and offers excellent mechanical properties and slow biodegradation, making it an appropriate material for use as a scaffold for tissue engineering. Previous studies carried out in our laboratory have shown that the covalent direct grafting (“Grafting From” method) of bioactive polymers or copolymers allows to overcome the PCL hydrophobicity and can favor cell adhesion and differentiation onto scaffolds. Various PCL scaffolds with different microstructures were prepared by electrospinning. The grafting of bioactive polymers on PCL electrospun scaffolds was carried out using two “grafting from” techniques; (i) the thermal grafting for 1 or 3 hours which requires a surface activation by ozonation as reference and (ii) the UV grafting for 1 hour with or without surface activation. We compared these grafting techniques in terms of surface modification, effect of the grafting processes on the intrinsic PCL properties. In vitro assay experiments were carried out to observe the fibroblast cell behavior on various functionalized scaffolds exhibiting different degrees of surface hydrophilicity and compare them to each other as well as an ungrafted scaffold. The successful grafting of ionic polymers onto the grafted PCL scaffolds was demonstrated using surface characterization techniques. Possible changes in the intrinsic properties of PCL have been studied using mechanical characterization, size exclusion chromatography (SEC), and differential scanning calorimetry (DSC). Finally, the biodegradation at different time points of these scaffolds was evaluated in different environments. This study shows the elaboration of various PCL fiber scaffolds, their functionalization by the grafting of bioactive polymers and the appreciation of the mechanical and microstructural changes. The in vitro biological assays have shown the favorable effect of the grafted polymer on the cellular response and that, depending on the microstructure type of the scaffold, its surface functionalization by bioactive polymers and its surface hydrophilicity, different cell behaviors can be observed.