Relation structure-propriétés de gels denses de collagène produits par injection de collagène séché par atomisation

Structure-properties relationship in dense collagen gels produced by injection of spray-dried collagen

• Auteur / Autrice : Miléna Lama
• Direction : Nadine Nassif, Alba Marcellan
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 16/09/2019
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Chimie de la matière condensée de Paris (1997-....) - Sciences et ingénierie de la matière molle (Paris ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Guégan
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sébastien Banzet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Richard Weinkamer, Frédéric Pignon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Autoassemblage

Biomatériaux

Propriétés mécaniques

Collagène

Mots clés libres

Collagène dense

Biomimétisme

Auto-assemblage

Comportement mécanique

Séchage par atomisation

Biomatériau injectable

Dense collagen

Spray-drying

Mechanical behavior

Résumé

Injecter des gels denses de collagène pour obtenir des matériaux 3D, biomimétiques en termes d’architecture et de propriétés mécaniques, est un enjeu pour la régénération tissulaire car cela pourrait éviter des chirurgies lourdes. Des solutions de collagène très concentrées ont la capacité de former des mésophases dont la géométrie mime celle des tissus biologiques. Ainsi, il est possible d’obtenir des gels de collagène en 3D possédant une meilleure tenue mécanique, sans utiliser de réticulant chimique qui peut induire des inflammations. Cependant, l’injection de solutions de collagène très concentrées est empêchée par l’augmentation drastique de leur viscosité. Comment associer biomimétisme et injectabilité de gels denses de collagène ? Nous proposons de concentrer des solutions acides de collagène par atomisation, produisant des billes denses de collagène. Une simple pesée de ces billes permet de déterminer la concentration des gels. Mélangées à un solvant aqueux, elles sont injectées dans un moule imitant un défaut tissulaire. La fibrillogénèse, induite in vitro dans les solutions de collagène, forme des gels rigides. Les microscopies optique et électroniques révèlent des organisations issues de l’auto-assemblage du collagène à l’échelle macroscopique, selon la concentration en collagène (de 3wt% à 8wt%). Le comportement mécanique des gels imite celui des tissus biologiques, et est fortement lié à l’ultrastructure des fibrilles de collagène. Cette étude ouvre des perspectives dans le domaine de la régénération tissulaire en dessinant le cadre d’une librairie tissulaire, contenant des matériaux en collagène biomimétiques, injectables et denses, permettant l’usage de procédures chirurgicales moins invasives.

Injection of dense collagen to obtain 3D biomimetic scaffolds in terms of structure and mechanical properties is challenging for regenerative medicine since it would avoid open-surgery. It is well-known that highly concentrated collagen solutions can form liquid crystal mesophases with tissue-like geometries. Thus, it is possible to obtain 3D collagen gels in vitro with better mechanical properties, without widely used chemical crosslinkers that may lead to inflammatory responses. Nevertheless, the injection of highly concentrated collagen solutions is unlikely due to their high viscosity.How to combine biomimetism and injectability of dense collagen gels?To achieve this goal we concentrate acidic collagen solutions by spray-drying, forming dense collagen beads. A simple weighing of the beads determines the concentration of the gels. Mixed with an aqueous solvent, the beads are injected into a mold mimicking a tissue defect. The fibrillogenesis in vitro is induced within the collagen solutions that transform into stiff gels. Electron and polarized light microscopies show organizations resulting from collagen self-assembly at macroscopic length scale depending on the collagen concentration i.e. from 3wt% to 8wt%. Mechanical tests results reveal tissue-like properties strongly linked to collagen fibrils ultrastructure. This study opens perspectives in tissue repair in setting the framework of a library made of biomimetic (anisotropic, dense and stiff) and injectable collagen gels, enabling minimally invasive procedures.