Implants viscéraux fonctionnels élaborés par plasma froid et electrospinning

Visceral implants functionalized by cold plasma and electrospinning

• Auteur / Autrice : Malo Dufay
• Direction : Stéphanie Degoutin, Maude Jimenez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 29/03/2021
• Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Villeneuve d'Ascq, Nord)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : UMET - Unité Matériaux et Transformations - Unité Matériaux et Transformations - UMR 8207 / UMET
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Benjamin Nottelet, Nicolas Blanchemain
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Céline Falentin-Daudre, Anne Hébraud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fonctionnalisation des surfaces (chimie)

Plasmas froids

Poly (epsilon-caprolactone)

Nanofibres

Antibactériens

Anticoagulants

Prothèses internes

Biomatériaux

Mots clés libres

Électrofilage

Electrospinning

Cold plasma

Anticoagulant

Antibacterial

Biomedical

Résumé

La réfection de hernie abdominale représente la deuxième opération chirurgicale dans le monde avec plus de 20 millions d’opérations par an. Cependant, dans plus de 50% des opérations intra-abdominales, des adhérences post-opératoires sont observées et entrainent des douleurs importantes pour les patients. De plus, des infections ont lieu dans 1% des cas de chirurgie intra-abdominale ce qui nécessite un retrait de l’implant. Pour ces raisons, des solutions thérapeutiques sont nécessaires pour prévenir les adhérences ainsi que les infections mais aussi limiter la nécessité d’une étape chirurgicale supplémentaire.L’electrospinning a démontré un grand intérêt dans le domaine des biomatériaux textiles en raison de la structure poreuse et des diamètres nanométriques des fibres obtenues. En parallèle, le traitement plasma froid peut être utilisé pour activer et greffer la surface de ces nanofibres avec des molécules fonctionnelles présentant, par exemple, des propriétés antibactériennes ou anticoagulantes. Dans ce contexte, notre stratégie est de développer des implants en polypropylène, couvert de nanofibres électrofilées de polycaprolactone (PCL) et fonctionnalisées par l’acide 2-acrylamido-2-méthylpropane sulfonique (AMPS) (activité anticoagulante attendue) ou le 2-(tert-butylaminoéthyle) (TBAEMA) (activité antibactérienne attendue)). Deux voies ont été étudiées : (i) la copolymérisation greffante de l’AMPS ou TBAEMA sur les nanofibres de PCL induite par plasma froid et (ii) l’electrospinning coaxial de façon à obtenir des nanofibres cœur/peau (PCL/PAMPS ou PCL/PTBAEMA).Pour la première voie, les conditions d’electrospinning de la PCL, ont été optimisées ainsi que la copolymérisation greffante de l’AMPS ou du TBAEMA par plasma froid sur les nanofibres de PCL, de façon à obtenir des nanofibres cytocompatibles riches en groupes SO3H ou en amines quaternaires à la surface. Les caractérisations physico-chimiques (FTIR, SEM, TEM, TGA…) et structurales (MEB, EDX) ont confirmé la distribution de chaque monomère à la surface des nanofibres. Pour la seconde voie, les conditions d’electrospinning seul (PAMPS et PTBAEMA) et coaxial (PCL/PAMPS et PCL/PTBAEMA) ont été optimisées et la caractérisation par MET des nanofibres obtenues par electrospinning coaxial a confirmé la structure cœur-peau.Les évaluations biologiques in vitro des implants fonctionnalisés ont révélé des résultats prometteurs pour la limitation des complications post-opératoires.

Abdominal hernia reparation constitutes the second surgical act in the world with more than 20 million cases per year. However, in more than 50% of all intra-abdominal operations, postoperative adhesions occur and result in important pain for patients. In addition, infections occur in 1% of each intra-abdominal surgery which lead to the need of the implant removal. Therefore, therapeutic solutions are required to prevent both adhesions and infections but also to limit the need for a second surgical step.Electrospinning shows great interest in biomedical textiles field due to the porous and nanometer diameter range structure of the obtained fibers. In parallel, cold plasma treatment can be used to activate and graft their surface with functional molecules, exhibiting for example antibacterial or anticoagulant properties. In this context, our strategy is to develop polypropylene implants, coated with polycaprolactone (PCL) electrospun nanofibers and functionalized by 2-acrylamido-2-methylpropane sulfonic acid (AMPS) (expected anticoagulant activity) or tert-butylaminoethyl methacrylate (TBAEMA) (expected antibacterial activity). Two pathways were investigated: (i) graft-copolymerization of AMPS or TBAEMA onto PCL nanofibers induced by cold plasma and (ii) coaxial electrospinning in order to obtain core/sheath (PCL/PAMPS or PCL/PTBAEMA) nanofibers.For the first pathway, the electrospinning conditions of PCL were optimized as well as the graft-copolymerization of AMPS or TBAEMA onto PCL nanofibers induced by cold plasma, in order to obtain cytocompatible nanofibers rich in SO3H or quaternary amine groups at the surface. Physico-chemical (FTIR, SEM, TEM, TGA…) and structural (SEM, EDX) characterization confirmed the distribution of each monomer onto nanofibers surface. For the second pathway, simple and coaxial electrospinning conditions of PAMPS, PTBAEMA and PCL/PAMPS, PCL/PTBAEMA respectively were optimized. The characterization by TEM of nanofibers obtained by coaxial electrospinning confirmed the core/shell structure.In vitro biological assays revealed promising results for limitation of post-operative complications.