Literatura académica sobre el tema "Tissu osseux – Matériaux"

Les mécanismes physiques régissant la propagation acoustique dans le tissu osseux trabéculaire sont très complexes. Une analyse expérimentale et théorique a été réalisée afin d’aider à éclaircir les différences observées in vivo et in vitro. Nous montrons expérimentalement que l’os trabéculaire exhibe un comportement (i) poroélaslique (existence de deux ondes longitudinales), (ii) dispersif et (iii) anisotrope. Il est ainsi mis en évidence que la propagation des ultrasons s’avère être affectée par la composition biphasique et l’organisation architecturale du milieu. Un modèle de propagation des ondes acoustiques dans un milieu poroélastique orthotrope a été développé dans lequel un nouveau paramètre caractérisant l’architecture de la phase solide est introduit. Les résultats théoriques et expérimentaux présentent une forte concordance, indiquant que cette méthodologie peut être utilisée pour caractériser la microstructure du milieu
The physical phenomena governing the propagation of acoustic waves in cancellous bone are very complex. An experimental and theoretical analysis of the acoustic properties of such tissue has been conducted as an attempt to explain the differences between in vivo and in vitro measurement data. It was experimentally demonstrated that cancellous bone exhibit a behavior which is (i) poroelastic (existence of two longitudinal waves). (ii) dispersive and (iii) anisotropic. The ultrasonic waves propagation in this tissue was shown to be affected by both the biphasic composition and the architectural organization of the media. An acoustic wave propagation model in a poroelastic orthotropic media was developed, introducing a new parameter characterizing the architectural design of the structure. Data of the theoretical model and experimental measurements are highly correlated, suggesting that this methodology can be used to indirectly characterize the microstructure of the media

L'objectif de ce travail de thèse était d'élaborer des matrices mimétiques du tissu osseux (en terme d'organisation des fibrilles de collagène ; de nature et distribution de la phase minérale) afin de progresser dans la compréhension des mécanismes physico-chimiques impliqués dans la formation du tissu osseux. La matrice de collagène ayant un rôle de charpente pour le tissu osseux, notre approche fut de synthétiser une matrice dense de collagène dont l'organisation hiérarchique mimait celle du tissu compact de l'os afin d'élaborer un bon modèle de matrice hybride collagène/apatite. Pour cela, nous avons mis en place un procédé d'élaboration de matrices denses fibrillaires de collagène (Wang 2011, brevet FR 2960439/WO 2011151587), qui a permis d'obtenir des matrices denses de collagène, de manière reproductible, en contrôlant la quantité de collagène injectée au cours du temps. Avant l'étude de l'étape de minéralisation, nous avons entrepris une caractérisation fine des apatites biologiques servant de référence et des phases d'apatite de synthèse servant de modèle. Enfin, nous avons minéralisé la matrice dense de collagène selon un procédé mettant en jeux les propriétés physico-chimiques du collagène en absence d'autres molécules organiques présentes in vivo, et en augmentant la charge en minéral par imprégnation dans un fluide physiologique. Nous avons ainsi réussi à réaliser la minéralisation de ces matrices dont l'organisation mime le réseau fibrillaire de l'os compact. Avec ce modèle simplifié de tissu osseux, nous avons réalisé les premières études sur la structure à l'interface collagène/apatite par RMN à l'état solide

Les biocéramiques à base de phosphates de calcium, et plus particulièrement d'hydroxyapatite (HA, Ca10(PO4)6(OH)2) sont très largement plébiscitées pour les applications liées au comblement osseux. Ces biocéramiques macroporeuses ostéoconductrices offrent une fonction de support de la repousse osseuse, mais les volumes sont faibles et uniquement situés sur les berges du tissu hôte. Ces biocéramiques présentent également une capacité limitée à favoriser l’ostéogènèse et l’angiogenèse au cœur de l’implant et ne se dégradent pas selon une cinétique concomitante à celle de la formation des nouveaux tissus. Ces limites ont mis au jour la nécessité de développer une nouvelle génération de biomatériaux pour des applications cliniques de médecine régénérative, des biomatériaux n’ayant plus seulement la capacité d’accueillir la repousse osseuse mais devant la stimuler. Les hydroxyapatites carbo-silicatées dont les connaissances structurales sont très faibles voire quasi inexistantes sont de sérieux matériaux candidats pour cette nouvelle génération de biomatériaux. La double substitution en ion carbonate, favorise les propriétés de biodégradation et d’ostéoconduction, et en ion silicate, qui sous forme soluble favorise la formation osseuse, est source de modifications structurales pouvant mener à la modulation des propriétés biologiques de ces biomatériaux. La connaissance structurale de ces nouveaux matériaux est donc nécessaire avant de pouvoir les classifier comme futur candidats à des applications biomédicales. Le LCMCP possède depuis longtemps une compétence affirmée en "cristallographie RMN" afin de déterminer les propriétés structurales de matériaux à l'aide de techniques de caractérisation classiques et de la RMN en phase solide
Bioceramics based on calcium phosphates, and more particularly hydroxyapatite (HA, Ca10(PO4)6(OH)2) are widely popular for applications linked to bone filling. These osteoconductive macroporous bioceramics provide a function of supporting bone regrowth, but the volumes are weak and only located on the edges of the host tissue. These bioceramics also have a limited capacity to promote osteogenesis and angiogenesis at the heart of the implant and do not degrade according to a kinetic concomitant with that of the formation of new tissues. These limits have revealed the need to develop a new generation of biomaterials for clinical applications of regenerative medicine, biomaterials no longer only having the capacity to accommodate bone regrowth but must stimulate it. Carbo-silicate hydroxyapatites for which structural knowledge is very weak or almost non-existent are serious candidate materials for this new generation of biomaterials. The double substitution in carbonate ion, promotes the properties of biodegradation and osteoconduction, and in silicate ion, which in soluble form promotes bone formation, is a source of structural modifications that can lead to the modulation of the biological properties of those biomaterials. Structural knowledge of these new materials is therefore necessary before being able to classify them as future candidates for applications. The LCMCP has long had proven expertise in "NMR crystallography" in order to determine the structural properties of materials using characterization techniques. conventional and solid-phase NMR

Ce travail est une contribution à la caractérisation mécanique de l'os cortical. Dansce cadre, les méthodes ultrasonores sont des outils puissants pour aider à cette caractérisation.Ainsi, les phénomènes de propagation d'ondes mis en jeu lors des mesurespar les techniques ultrasonores de transmission axiale à la fréquence centrale de 1 MHzsont modélisés. Des méthodes numériques basées sur la méthode des éléments finis sontmises en oeuvre pour résoudre les systèmes d'équations aux dérivées partielles associéesaux conditions aux limites et initiales pour des tissus dont le comportement est supposé(visco-)élastique, anisotrope et/ou hétérogène. L'analyse des résultats de simulation permetde discuter l'influence des divers paramètres, non seulement en termes de propriétésmatérielles mais aussi géométriques, sur la nature des ondes qui se propagent dans lestissus. Nous avons ainsi pu analyse l'impact de ces paramètres sur la vitesse du premiersignal laquelle est considérée comme un indice pertinent pour mesurer la qualité du tissuosseux. Toujours dans le but de caractériser le tissu osseux, et en particulier pour obtenirdes valeurs de propriétés matérielles aussi proches que possible de la réalité, nous avonsdéveloppé une nouvelle méthode basée sur les développements asymptotiques, du typehomogénéisation périodique, pour prédire les modules d'élasticité effective de l'os corticaldu tissu hétérogène.

Les nanotopographies de surface présentant des dimensions comparables à celles des éléments de la matrice extracellulaire offrent la possibilité de réguler le comportement cellulaire. L’étude de l’impact de la nanotopographie sur la réponse cellulaire a été toujours limitée compte tenu des précisions limitées sur les géométries produites, en particulier sur les plus grandes surfaces. Des matériaux base silicium présentant des nanopiliers avec des géométries parfaitement contrôlées ont été fabriqués et leur impact sur la différentiation ostéogénique de cellules souches mésenchymateuses humaines (hMCSs) a été étudié. Des matériaux avec des nanopiliers de dimensions critiques comprises entre 40 et 200 nm et des écarts types inférieurs à 15% sur un wafer de silicium, ont été réalisés en profitant de la capacité d’auto-assemblage des copolymères à blocs. Pour mettre en évidence si des modifications de la chimie de la surface des nanopiliers pourraient favoriser la différenciation des MSCs, des peptides mimétiques ont été greffés sur les matériaux fabriqués. Un peptide connu pour sa capacité d’améliorer l'adhésion cellulaire (peptide RGD), un peptide synthétique capable d'améliorer l'ostéogenèse (peptide mimétique BMP-2) et une combinaison de ces deux peptides ont été immobilisés de manière covalente sur les matériaux silicium présentant des nanopiliers de différentes géométries (diamètre, espacement et hauteur).Les essais d'immunofluorescence et de réaction en chaîne de la polymérase quantitative (RT-qPCR) révèlent un impact des nanotopographies sur la différenciation ostéogénique des hMSCs. De plus, il a été constaté que la différenciation des cellules dépendait de l'âge du donneur. La fonctionnalisation de surface a permis une augmentation supplémentaire de l'expression des marqueurs ostéogéniques, en particulier lorsque le peptide RGD et le peptide mimétique BMP-2 sont co-immobilisés en surface. Cette étude met clairement en évidence l’impact de nanostructures avec différentes bioactivités sur la différentiation de MSCs. Ces matériaux pourront trouver leur place dans des cultures in vitro, dans l’élaboration de nouveaux biomatériaux osseux et dans de nouveaux produits d’ingénierie tissulaire
Nanotopography with length scales of the order of extracellular matrix elements offers the possibility of regulating cell behavior. Investigation of the impact of nanotopography on cell response has been limited by inability to precisely control geometries, especially at high spatial resolutions, and across practically large areas. This work allowed the fabrication of well-controlled and periodic nanopillar arrays of silicon to investigate their impact on osteogenic differentiation of human mesenchymal stem cells (hMSCs). Silicon nanopillar arrays with critical dimensions in the range of 40-200 nm, exhibiting standard deviations below 15% across full wafers were realized using self-assembly of block copolymer colloids. To investigate if modifications of surface chemistry could further improve the modulation of hMSC differentiation, mimetic peptides were grafted on the fabricated nanoarrays. A peptide known for its ability to ameliorate cell adhesion (RGD peptide), a synthetic peptide able to enhance osteogenesis (BMP-2 mimetic peptide), and a combination or both molecules were covalently grafted on the nanostructures.Immunofluorescence and quantitative polymerase chain reaction (RT-qPCR) measurements reveal clear dependence of osteogenic differentiation of hMSCs on the diameter and periodicity of the arrays. Moreover, the differentiation of hMSCs was found to be dependent on the age of the donor. Surface functionalization allowed additional enhancement of the expression of osteogenic markers, in particular when RGD peptide and BMP-2 mimetic peptide were co-immobilized. These findings can contribute for the development of personalized treatments of bone diseases, namely novel implant nanostructuring depending on patient age

Les maladies ostéoarticulaires représentent environ 10% de l'ensemble des pathologies identifiées en France chaque année. Ces maladies inflammatoires et dégénératives des articulations sont pour la plupart consécutives au vieillissement ou à un traumatisme et évoluent vers l'usure des cartilages, d'où un handicap sévère. Comme aucun traitement ne permet la réparation totale du tissu cartilagineux, la recherche médicale développe des techniques d'ingénierie tissulaire. Ces techniques utilisent des substrats polymériques et des cellules souches qui sont " contraints " de se développer pour former du tissu cartilagineux. Cependant, ces techniques ne peuvent pas encore être utilisées à l'échelle d'une articulation complète car il n'est pas possible de reproduire ex vivo à grande échelle la structure et les propriétés mécaniques et physicochimiques du cartilage articulaire. Dans ce contexte, les travaux de cette thèse ont permis de développer des matériaux polymères capables d'être implantés à l'échelle macroscopique dans les articulations pathologiques afin de combler l'usure des cartilages. Pour se faire, de nouveaux biomatériaux - hydrogels p(HEMA) - ont été obtenus en contrôlant le caractère hydrophile des hydrogels p(HEMA) au cours de leur synthèse chimique en présence de différents co-monomères (acide acrylique, acrylamide, acrylate d'éthylène et acrylate de butyle). Partant de là, les propriétés physicochimiques, mécaniques et tribologiques de ces nouveaux hydrogels ont été optimisées afin d'obtenir des propriétés similaires à celles du cartilage articulaire sain. Ensuite, la libération contrôlée de médicaments par ces hydrogels a été étudiée afin de minimiser les risques inflammatoires lors de leur utilisation en ingénierie tissulaire du cartilage articulaire.

Le perçage de l’os est couramment pratiqué dans de nombreux types de chirurgie comme lors de la pose de vis d’ostéosynthèse et d’implants dentaires et cochléaires. Lors de l'opération de perçage, le chargement thermomécanique dû à l'interaction outil-os peut endommager les tissus osseux au voisinage de la zone de perçage. Ainsi, une augmentation significative de la température peut provoquer une ostéonécrose thermique. Il est donc important d'optimiser les conditions opératoires (vitesses de rotation et d'avance, géométrie du foret, stratégie de perçage...) afin de réduire les risques d'endommagement de l'os. Pour ce faire, il faut analyser et comprendre les effets des conditions de coupe sur les mécanismes contrôlant l'interaction foret-os. Les travaux de cette thèse ont pour objectif de contribuer à la compréhension de ces mécanismes en combinant une approche expérimentale avec de la modélisation numérique et analytique. L'étude expérimentale porte sur l’effet de la vitesse de coupe, de l’avance du foret et de la microstructure de la zone percée sur l’évolution des efforts de coupe (l'effort d'avance et le moment axial) et de l’augmentation de la température pendant le perçage d’un échantillon d’os porcin et de matériaux de tests biomécaniques (Sawbones). Ces derniers présentent l'avantage d'une microstructure uniforme par échantillon donné contrairement à l'os. Les modèles numériques de la coupe orthogonale et du perçage de l’os cortical sont développés en utilisant le code Eléments Finis ABAQUS/Explicit. L’objectif est d'analyser l’influence des lois de comportement et d’endommagement sur les prédictions du modèle (mécanisme de coupe, température et efforts de coupe). Afin de proposer une approche simplifiée, une modélisation analytique basée sur la théorie de la source mobile a également été proposée. La validation expérimentale a montré la pertinence des approches proposées ainsi que leurs limites
Bone drilling is commonly practised in various surgical operations for orthosynthesis screws insertion or placement of dental and cochlear implants. During bone drilling procedure, the thermomechanical constraints resulting from the tool-bone interaction can damage the bone tissues in the vicinity of the drilling area. Thus, a significant increase in temperature can cause thermal osteonecrosis. It is therefore important to optimize the operating conditions (spindle speed and feed rate, geometry of the drill, drilling operation strategy ...) in order to reduce the risk of damage to bone tissues. To do this, it is necessary to analyse and understand the effects of cutting conditions on the mechanisms controlling the drill-bone interaction. The present work aims to contribute to the understanding of these mechanisms by combining an experimental approach with numerical and analytical modelling. The experimental study investigates the effect of the cutting speed, feed rate of the drill and the microstructure of the drilled area on the resulting cutting forces (thrust force and axial torque) and temperature rise during the drilling of porcine bone specimens and biomechanical test materials (Sawbones). These materials have the advantage of a uniform microstructure per given sample unlike bone. Numerical models of orthogonal cutting and bone drilling are implemented using the Finite Element code ABAQUS / Explicit. The purpose of this development is to analyse the influence of bone constitutive and damage laws on the model predictions (cutting mechanism, temperature and cutting forces). In order to propose a simplified approach, an analytical modelling based on moving heat source theory is developed for predicting bone thermal response. The relevance and limits of the approach proposed is shown through experimental validation

A l’heure actuelle, les alliages à bases de titane sont les matériaux les plus utilisés en implantologie osseuse. Les procédés émergents de fabrication additive, tel que la fusion par faisceau d’électrons (EBM), permettent de fabriquer des structures architecturées sur-mesure en titane. Dans les cas cliniques difficiles, il est nécessaire de stimuler activement les cellules souches osseuses pour qu’elles produisent de l’os. Les protéines osseuses morphogénétiques (BMP-2, BMP-7) ont cette capacité d’ostéo-induction et sont utilisées en clinique. Cependant, leur délivrance par matrice de collagène est très mal contrôlée. Des revêtements de surface à base de polymères naturels, tels que la poly(L-lysine) et l’acide hyaluronique (PLL/HA), peuvent former des films biomimétiques servant de nanoréservoir pour ces protéines. L’objectif de cette thèse était de développer un implant innovant constitué de structures 3D en titane à la fois architecturées et ostéo-inductrices. Pour cela, des structures 3D poreuses en alliage de titane (Ti-6Al-4V) constituées de cellules cubiques ont été construites par EBM. La porosité a été bien contrôlée avec une différence par rapport aux modèles CAO de moins de 1%. La BMP-7 a été chargée et quantifiée dans les films biomimétiques. La capacité d’ostéo-induction des films a été évaluée avec des cellules souches mésenchymateuses de souris par leur expression de la phosphatase alcaline. L’expression de cette enzyme a augmenté de façon dose-dépendante avec la dose de BMP-7 initialement chargée. Le dépôt du film ostéo-inducteur sur les structures 3D architecturées a été caractérisé par microscopies optique et électronique. Les cellules souches cultivées au sein des structures 3D bioactives se différencient en cellules osseuses démontrant ainsi leur capacité ostéo-inductrice sur le court terme in vitro. Des tests préliminaires in vivo sont actuellement réalisés pour tester ces structures 3D bioactives dans un modèle fémoral de défaut osseux chez le rat
To date, titanium-based alloys (Ti) remain the most used implantable materials for load-bearing applications. Emerging additive manufacturing techniques such as electron beam melting (EBM) enable to custom-build architectured scaffolds of controlled macroporosity. In very difficult clinical situations, potent bioactive signals are needed to boost stem cells: osteoinductive molecules such as bone morphogenetic proteins (BMP-2) are currently used for this purpose. However, one of their limitations is their inappropriate delivery with collagen sponges. Biomimetic surface coatings made of the biopolymers poly(L-lysine) and hyaluronic acid, (PLL/HA) polyelectrolyte films, have recently been engineered as nanoreservoirs for BMP proteins. The aim of this PhD thesis was to develop architectured and osteoinductive 3D titanium-based scaffolds as innovative synthetic bone grafts. To this end, we used the EBM additive manufacturing technique to engineer porous scaffolds with cubit unit-cells. Their surface was coated with biomimetic films containing the bone morphogenetic protein 7 (BMP-7). The porosity was well controlled with a difference from CAD models of less than 1%. The osteoinductive capacity of BMP-7 loaded films was assessed using murine mesenchymal stem cells (MSCs) by quantifying their alkaline phosphatase (ALP) expression, which increased in a dose-dependent manner. The coating of the 3D architectured scaffolds by the bioactive film was characterized using optical and electron microscopy techniques. Finally, the 3D architectured scaffolds coated with BMP-7-loaded films were proved to be osteoinductive at the early stage in vitro. Preliminary experiments are currently done to assess their performance in an in vivo model of a critical size femoral bone defect in rat

Les phosphates de calcium sont des biomatériaux couramment utilisés dans de nombreuses spécialités médicales. L'amélioration de ces biomatériaux vise à augmenter leur ostéointégration et leur bioactivité. Le strontium possédant d'intéressantes capacités de modification de la physiologie osseuse, l'incorporation de ce dernier au sein de phosphates de calcium par substitution ionique pourrait permettre un déplacement de la balance osseuse vers la formation osseuse.Notre travail a permis de démontrer la capacité des particules de phosphates de calcium substitués en strontium à augmenter la prolifération des ostéoblastes en culture et à modifier l'expression et la synthèse des principales protéines impliquées dans la physiologie osseuse (Collagène de type I, Serpine H1, métalloprotéinases matricielles 1 et 2, inhibiteurs tissulaires des MMPs). Par ailleurs, la poudre de phosphates de calcium ne contenant pas de strontium a entrainé une sécrétion accrue de chimiokines pro-inflammatoires (MCP-1 et GRO-?) qui n'a pas été observée pour la poudre substituée. Enfin, des études in-vivo réalisées dans un modèle de défaut osseux murin a permis de démontrer une plus grande résorbabilité de la poudre contenant du strontium et sa plus grande capacité à stimuler la réparation osseuse.

Le développement d’un biomatériau contrôlant précisément le comportement de cellules souches serait un avantage considérable pour des applications de médecine régénératrice et d’ingénierie tissulaire. Actuellement, le vieillissement de la population mondiale est associé à de nombreux problèmes de dégénérescence des tissus, en particulier dans le contexte osseux. Le coût annuel des opérations chirurgicales orthopédiques pratiquées aux États-Unis s’élève à 8.2 milliards de dollars US. Afin de trouver des alternatives aux greffes traditionnelles, des biomatériaux mimant la physiologie osseuse ont été conçus. Une des stratégies consiste à préparer des matériaux biomimétiques en fonctionnalisant, par exemple, la surface des matériaux par des peptides dérivés des protéines d’adhésion de la matrice extracellulaire (ECM) tel que la fibronectine pour favoriser l’ancrage des cellules osseuses. D’autres molécules comme les protéines morphogénétiques osseuses (BMPs) jouent un rôle essentiel dans le processus physiologique de la réparation osseuse. Ces BMPs peuvent être combinées aux biomatériaux afin d’orienter la réponse des cellules osseuses et ainsi améliorer la régénération des tissus. L’utilisation de peptides dérivés des BMPs, 300 fois moins dispendieux, ajoute un avantage considérable dans le développement des matériaux biomimétiques. En outre, des relations croisées entre les récepteurs cellulaires des protéines de l’ECM et ceux des BMPs peuvent influencer la signalisation et la différenciation des cellules osseuses, d’où l’intérêt de fonctionnaliser les biomatériaux non seulement avec des molécules d’adhésion, mais aussi avec des BMPs ou leurs peptides dérivés. Dans ce projet, un biomatériau biomimétique de 3eme génération a été développé afin de permettre l’adhésion et l’orientation des cellules souches vers la lignée ostéoblastique. L’étude a consisté à analyser le potentiel de la co-immobilisation d’un peptide d’adhésion dérivé de la fibronectine (pFibro) et d’un peptide dérivé de la BMP-9 (SpBMP-9) sur un film de polycaprolactone (PCL). L’utilisation d’un peptide négatif du SpBMP-9, le NSpBMP-9, a permis de vérifier les effets synergiques potentiels de cette co-immobilisation. Dans un premier temps, l’attachement et l’organisation du cytosquelette des cellules ont été déterminés par un immunomarquage des protéines du cytosquelette. Puis la cinétique d’activation de la voie de signalisation Smad impliquée dans la différenciation ostéoblastique a été analysée par immunobuvardage de type Western. Afin de vérifier la différenciation des cellules souches vers un phénotype défini, l’expression de gènes codant pour des marqueurs de différenciation ostéogénique (Runx2, Ostérix), chondrogénique (Sox9) et adipogénique (PPARγ) a également été évaluée par des immunobuvardages de type Western. Ce projet de recherche a amélioré les connaissances actuelles sur les interactions entre les biomatériaux co-fonctionnalisés par des peptides d’adhésion et dérivés de la BMP-9 et les cellules osseuses, afin de potentialiser les propriétés ontéoconductive, ostéointégrative et ostéoinductive essentielles pour obtenir un matériau biomimétique efficace.