Nanofonctionnalisation et biofabrication ‎d'hydrogels naturels pour des applications en ‎ingénierie tissulaire

Nanofunctionalization and biofabrication of natural hydrogels for tissue engineering applications

• Auteur / Autrice : Kamil Elkhoury
• Direction : Elmira Arab Tehrany, Laura Sanchez-Gonzalez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie biotechnologique et alimentaire
• Date : Soutenance le 19/02/2021
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIReNa - Science et ingénierie des ressources naturelles (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'ingénierie des biomolécules (Vandoeuvre-les-Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Frances Yen Potin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Elmira Arab Tehrany, Laura Sanchez-Gonzalez, Eliana B. Souto, Aldo R. Boccaccini, Wojciech Swieszkowski, Ali Tamayol
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Eliana B. Souto, Aldo R. Boccaccini

Mots clés

Mots clés contrôlés

Aspect médical

Nanogels

Génie tissulaire

Reprogrammation cellulaire

Vecteurs de médicaments

Exosomes

Liposomes

Fonctionnalisation chimique

Gélatine

Mots clés libres

Gélatine méthacryloyle

GelMA

Liposomes

Exosomes

Reprogrammation cardiaque ‎directe

Administration contrôlée de médicaments

Ingénierie tissulaire

Gelatin methacryloyl

GelMA

Liposomes

Exosomes

Direct cardiac reprogramming

Controlled ‎drug delivery

Tissue engineering

Résumé

L’objectif principal de cette thèse est de développer un nouveau matériau naturel à base de ‎gélatine modifiée par méthacrylation (GelMA) nanofonctionnalisé par l’incorporation de ‎nanoliposomes ou de nanoparticules hybrides molles de type exosome-liposome. Ces ‎matrices hydrogel sont caractérisées d’un point de vue physicochimique et biologique afin ‎d'évaluer leur potentiel en ingénierie tissulaire. Le GelMA est préparé par modification ‎chimique de la gélatine, lorsque des groupements méthacrylate sont fixés sur des groupes ‎latéraux contenant des fonctions amine. Dans une première partie de ce travail, l’influence de ‎la source de la gélatine utilisée (porc ou poisson) et du degré de méthacrylation sur les ‎propriétés physicochimiques et biologiques des hydrogels a été étudiée. Dans une deuxième ‎partie de ce travail, la matrice GelMA a été nanofonctionnalisée par l’incorporation de nanoliposomes, ‎nanoparticules molles et naturelles présentant des propriétés d’auto-assemblage remarquables. Ces vecteurs utilisés notamment dans le domaine médical sont formés de bicouches lipidiques et peuvent transporter et libérer des molécules hydrophobes, hydrophiles ou amphiphiles. Dans ‎cette étude la naringine, une molécule active qui peut guider le processus de différenciation des cellules souches vers la lignée ostéoblastique, a été encapsulée dans les nanoliposomes ‎avant leur incorporation dans la matrice polymérique afin de développer un hydrogel d’intérêt ‎pour des applications en régénération osseuse. Ce matériau nanocomposite a été caractérisé ‎d’un point de vue physicochimique, biologique et le profil de libération de la naringine est ‎étudié. Dans une troisième et dernière partie de ce travail, la matrice GelMA a été nanofonctionnalisée par l’incorporation de nanoparticules hybrides molles de type exosome-liposome. Les exosomes, nanovésicules naturelles sécrétées par les cellules, présentent un intérêt croissant pour l'administration ciblée de médicaments en raison de la présence de récepteurs spécifiques aux cellules sur leur surface. L’hydrogel GelMA-‎nanoparticules hybrides a été caractérisée d’un point de vue physicochimique et biologique pour des applications en ‎reprogrammation cardiaque et a été bioimprimé et microfabriqué avec succès. Les hydrogels GelMA biofabriqués et nanofonctionnalisés avec des nanoliposomes ou ‎des nanoparticules hybrides molles de type exosome-liposome sont des systèmes prometteurs ‎pour la libération contrôlée de molécules bioactives et pour des applications en ingénierie tissulaire.

The main objective of this thesis is to develop a new natural material based on methacrylated gelatin (GelMA) nanofunctionalized by the incorporation of nanoliposomes or soft hybrid exosome-liposome nanoparticles. The physicochemical and biological properties of these hydrogel matrices were characterized in order to evaluate their potential use for tissue engineering applications. GelMA is prepared by the chemical modification of gelatin when methacrylate groups are attached to side groups containing amine functions. In a first part of this work, the influence of the gelatin source (pork or fish) and the degree of methacrylation on the physicochemical and biological properties of hydrogels was studied. In a second part of this work, the GelMA matrix was nanofunctionalized by the incorporation of nanoliposomes, which are soft and natural nanoparticles with remarkable self-assembly properties. These well-established drug delivery systems‎ are formed of lipid bilayers and can transport and release hydrophobic, hydrophilic, and amphiphilic molecules. In this study, naringin, an active molecule that can guide the differentiation process of stem cells to the osteoblastic lineage, was encapsulated in nanoliposomes before their incorporation into the GelMA polymeric matrix in order to develop a system of interest for bone regeneration applications. This nanocomposite material was physicochemically and biologically characterized and the release profile of naringin was investigated. In a third and final part of this work, the GelMA matrix was nanofunctionalized by the incorporation of exosome-liposome soft hybrid nanoparticles. Exosomes, natural nanovesicles secreted by cells, are of increasing interest for targeted drug delivery applications due to the presence of cell specific receptors on their surface. The hybrid GelMA hydrogels were physicochemically and biologically characterized for applications in cardiac reprogramming and was successfully bioprinted and microfabricated. Biofabricated GelMA hydrogels nanofunctionalized with nanoliposomes or hybrid exosome-liposome nanoparticles are promising platforms for the controlled release of bioactive molecules and for tissue engineering applications.