Développement de matériaux composites et hybrides à base de verre bioactif pour la bio-ingénierie osseuse

Development of composite and hybrid materials based on bioactive glass for bone bioengineering

• Auteur / Autrice : Amel Houaoui
• Direction : Emmanuel Pauthe
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la vie et de la santé - Cergy
• Date : Soutenance le 19/02/2021
• Etablissement(s) : CY Cergy Paris Université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie (Cergy-Pontoise, Val d'Oise)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Equipe de recherche sur les relations matrice extracellulaire-cellules (Cergy-Pontoise, Val d'Oise ; 1992-....) - Equipe de recherche sur les relations matrice extracellulaire-cellules / ERRMECe
• Jury : Président / Présidente : Olivier Gallet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Emmanuel Pauthe, Peter Dubruel, Jérôme Chevalier, Elzbieta Pamula, Michel Boissiere
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Peter Dubruel, Jérôme Chevalier, Elzbieta Pamula

Mots clés

Mots clés contrôlés

Os -- Régénération (biologie)

Mots clés libres

Verre bioactif

Composite

Hybride

Ostéocompétence

Ingénierie tissulaire osseuse

Bioactive Glass

Composite

Hybrid

Osteocompetence

Bone tissue engineering

Résumé

Les fractures des os sont des traumatismes courants généralement compensés par un processus naturel de réparation appelé ostéogénèse. Lorsqu’il s’agit de défauts complexes et de taille critique, dus à un contexte traumatique ou physiopathologique, la réparation doit être guidée par le biais de matériaux qui puissent servir de support et suppléance mécanique et/ou de comblement osseux. Les verres bioactifs (BAG) présentent la particularité de relarguer au cours de leur dissolution des ions calcium et phosphate capables de former une couche réactive d’hydroxyapatite. Exploiter leur bioactivité en tant que substitut osseux est une réelle opportunité. Cependant, les BAG sont difficiles à mettre en forme. Les combiner à des matrices organiques permettrait d’obtenir des matériaux innovants pour la bio-ingénierie de l’os. Dans ce projet, deux voies sont explorées : i) une association composite à base de Poly (Acide Lactique) (PLA) et de verre bioactif pour répondre aux besoins mécaniques et ii) des matériaux hybrides à base de gélatine et de verre bioactif pouvant servir de matériaux de comblement. Dans cette étude, le BAG 13-93 a été utilisé tel quel et dans sa forme dopée au bore 13-93 B20 ; le bore étant connu pour avoir une influence sur les propriétés de dissolution. Après études en milieux hydratés, il a été démontré que le bore permet en effet d’augmenter la vitesse de dissolution et la bioactivité du BAG dans les matériaux combinés, tant les composites que les hybrides. A l’aide de cellules myoblastiques, il a été montré que les matériaux composites présentaient des propriétés ostéo-stimulantes. La biocompatibilité des hybrides a été démontrée à l'aide de cellules pré-ostéoblastiques. Ces matériaux sur-mesure présentent de vrais potentiels de support physique, des propriétés de résorbabilité, et des capacités de régénération osseuse, via l’induction de comportements cellulaires idoines favorisés par les verres bioactifs, apportant une dimension ostéo-compétente et ostéo-stimulante à l'implant.

Bone fractures are common traumas usually compensated by the natural repair process called osteogenesis. In the case of complex and critical size defects, due to a traumatic or pathophysiological context, the repair must be assisted by substitutes that can serve as a support and mechanical replacement and/or as bone filling. The interest of bioactive glasses (BAG) as a bone substitute lies in their bioactivity. They have the particularity of releasing calcium and phosphate ions which will be able to form a reactive layer of hydroxyapatite. However, BAG are difficult to shape. Combining them with organic matrices would provide innovative materials for bone bioengineering.In this project, two paths are explored: i) a composite material based on Poly (Lactic Acid) (PLA) and bioactive glass and ii) an hybrid material based on gelatin and bioactive glass. The first system is more dedicated to assist the functions of mechanical support, whereas the second will be more pertinent to address the need of filling bone defects. In this study, the BAG 13-93 was used directly and compared to the 13-93B20, its boron-doped form known to influence its dissolution properties. The combined materials, composites or hybrids, were compared after immersion in aqueous medium, and boron increased the rate of BAG dissolution and its bioactivity in vitro. Using myoblastic cells, composite materials have been shown to exhibit osteo-stimulating properties. The biocompatibility of the hybrids has been demonstrated using pre-osteoblastic cells. These tailor-made materials have real potential for physical support, resorbability properties, and bone regeneration capacities via the induction of suitable cellular behaviors favored by bioactive glasses, bringing an osteo-competent and osteo-stimulating dimension to the implant.