Structuration en 3D de phases cristal-liquides pour la formation biomimétique de tissus osseux

3D structuration of liquid crystal phases for biomimetic formation of bone-like tissues

• Auteur / Autrice : Elora Bessot
• Direction : Nadine Nassif
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 15/12/2020
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Chimie de la matière condensée de Paris (1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Laurent Bouteiller
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Peter Fratzl, Ali Abou-Hassan, Marie-Christine Durrieu
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jérôme Chevalier, Catherine Guedes-Moali

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microfluidique

Biomatériaux

Autoassemblage

Modélisation tridimensionnelle

Os -- Croissance

Collagène

Mots clés libres

Collagène

Biomimétisme

Auto-assemblage

Cristal-liquide

Microfluidique

Collagen

Biomimetism

Self-assembly

Liquid crystal

Microfluidics

Résumé

L’os est un matériau hybride qui associe une trame organique dense et organisée de fibrilles de collagène et un réseau minéral d’hydroxyapatite. La formation de ce matériau hiérarchisé a été souvent étudié biologiquement. Comment l'étudier d’un point de vue physico-chimique et ainsi pouvoir reproduire l’organisation à l’échelle suprafibrillaire ? Nous proposons d’identifier ces paramètres en appliquant in vitro des contraintes aux mésophases du collagène afin de contrôler l’arrangement spatial 3D des domaines orientés. Des chambres microfluidiques mimant l’os compact et des procédés d’émulsion mimant l’interaction os spongieux-moelle osseuse ont été utilisés. Ces modèles ont permis de mettre en évidence l’implication, notamment, du confinement, du flux en collagène et de la géométrie du réseau dans l’organisation fibrillaire résultante. Les techniques de microscopies révèlent que ces organisations biologiques sont issues de la texturisation des mésophases du collagène à l’échelle macroscopique grâce à l’observation de défauts inhérents à la géométrie des tissus. Cette étude ouvre des perspectives dans la compréhension des mécanismes physico-chimiques et l’organisation des domaines anisotropes in vivo intervenant dans la morphogénèse et la biominéralisation. Elle ouvre des perspectives pour l’ingénierie tissulaire afin de réparer de larges défauts et favoriser l’ostéoinduction.

Bone is a hybrid material that combines a dense and organized organic matrix of collagen fibrils and a mineral network of hydroxyapatite. The formation of this hierarchical material has often been studied biologically. How to study it from a physicochemical point of view and thus be able to reproduce the organization at the suprafibrillar scale? We propose to identify these parameters by applying in vitro constraints to the mesophases of collagen in order to control the 3D spatial arrangement of the oriented domains. Microfluidic chambers mimicking compact bone and emulsion methods mimicking the cancellous bone-bone marrow interaction were used. These models made it possible to highlight the involvement, in particular, of confinement, collagen flow and network geometry in the resulting fibrillar organization. Microscopy techniques reveal that these biological organizations result from the texturization of collagen mesophases on a macroscopic scale through the observation of defects inherent in the geometry of the tissues. This study opens up perspectives in the understanding of the physicochemical mechanisms and the organization of in vivo anisotropic domains involved in morphogenesis and biomineralization. It opens up prospects for tissue engineering to repair larger defects and promote osteoinduction.