Nanocomposites bioverre/polyester pour le développement de scaffolds macroporeux par freeze-casting : vers le traitement de l'ostéoradionécrose mandibulaire.

Bioglass/polyester nanocomposites for the development of macroporous scaffolds by freezecasting : towards mandibular osteoradionecrosis treatment

• Auteur / Autrice : Prescillia Lagarrigue
• Direction : Christèle Combes, Vincent Darcos
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science et Génie des Matériaux
• Date : Soutenance le 27/11/2020
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Inter-universitaire de Recherche et d’Ingénierie des Matériaux (Toulouse ; 1999-....)
• Jury : Président / Présidente : Mathias Destarac
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christèle Combes, Vincent Darcos, Mathias Destarac, Jérémy Soulié, Jean Coudane, Philippe Lavalle
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Marie Nedelec, Rachel Auzély-Velty

Mots clés

Mots clés contrôlés

Composites polymères

Nanoparticules

Polymères

Mots clés libres

Nanoparticules

Polymères

Bioverres

Freeze-casting

Scaffolds

Composites

Nanoparticles

Polymers

Bioglass

Freeze-casting

Scaffolds

Composites

Résumé

L’ostéoradionécrose mandibulaire est l’une des principales complications du traitement des cancers de la cavité buccale et de l’oropharynx par radiothérapie, avec une incidence de 5 à 10%. La symptomatologie est multiple (douleurs, expositions osseuses, fractures, infections bactériennes, etc…) et détériore considérablement la qualité de vie des patients. S’il existe des traitements conservateurs pour les ostéoradionécroses mandibulaires peu étendues, les cas les plus sévères nécessitent le recours à des chirurgies lourdes avec si possible une reconstruction. Pour améliorer la prise en charge des patients, il semble nécessaire de développer des biomatériaux pour le traitement de défauts osseux critiques induits par l’ostéoradionécrose mandibulaire. L’objectif de cette thèse est d’élaborer des scaffolds composites macroporeux permettant le comblement osseux de la zone nécrosée tout en servant de support à la néoformation osseuse et possédant des propriétés antibactériennes. Ces biomatériaux sont élaborés sur le concept de « Bricks and Mortar » et sont composés de poly(acide lactique) (mortar) et de nanoparticules de bioverre greffées avec le polymère (bricks) afin de limiter la sédimentation et l’agglomération des nano-renforts lors de la mise en forme du biomatériau composite par le procédé de freeze-casting. Dans un premier temps, des synthèses de polymères et de nanoparticules de bioverre binaires (SiO2 CaO) dopées ou non avec du cuivre ont été réalisées. Puis, des nanoparticules greffées avec des polymères ont été préparées en utilisant une méthode « grafting to » à partir de chaînes de poly(acide lactique) et de nanoparticules fonctionnalisées. Ensuite, les différents paramètres de freeze-casting (température de mise en forme, composition de la suspension, type de nanoparticules) ont été optimisés. Des scaffolds ont ainsi été élaborés en utilisant les conditions optimisées et leurs propriétés biologiques ont été évaluées in vitro (cytotoxicité et propriétés antibactériennes). Enfin, des essais préliminaires in vivo ont été réalisés dans un modèle de défaut critique chez le petit animal (calvaria de rat) avec les scaffolds optimisés pour évaluer leur intégration et leur capacité à favoriser la néoformation osseuse.

Mandibular osteoradionecrosis is one of the most severe effect of radiation therapy as treatment for oral cavity and oropharynx cancers, with an incidence between 5 and 10%. Symptoms are multiple (pain, bone exposure, fractures, bacterial infections, etc…) and damage considerably patient quality of life. If conservative therapies exist for small mandibular osteoradionecrosis, the more extensive ones requires complex surgery with, when it is possible, bone reconstruction. To improve patient care, it seems necessary to develop new biomaterials to treat critical bone defects caused by mandibular osteoradionecrosis. The main purpose of this work is to develop new composite scaffolds with antibacterial properties allowing easy filling of necrotic bone defects while promoting new bone formation. These biomaterials scaffolds are elaborated following “Bricks and Mortar” concept and are compounded of poly(lactic acid) (mortar) and polymer grafted bioglass nanoparticles (bricks) in order to limit nanofillers sedimentation and agglomeration during the shaping process by freeze casting. Firstly, polymers synthesis and binary bioglass nanoparticles (SiO2 CaO) elaboration, with or without copper, were carried out. Secondly, polymer grafted nanoparticles were prepared using a “grafting to” method with functionalized poly(lactic acid) and nanoparticles. Then, freeze-casting operating parameters (temperature, suspension composition, nanoparticles type) were optimized to match with biological application. Biological tests were then performed with optimized scaffolds to estimate in vitro cytotoxicity and antibacterial properties. Finally, in vivo assays were conducted in small animals to evaluate scaffolds integration and their capacity to promote new bone formation.