• Langue : Français
• Discipline : Sciences de la vie et de la santé
• Identifiant : 2022ULILS050
• Type de thèse : Doctorat
• Date de soutenance : 18/11/2022

Résumé en langue originale

La fixation de fragments osseux, nécessaire dans la prise en charge des fractures, après une ostéotomie ou pour fixer une greffe osseuse, repose actuellement sur l'utilisation d'implants métalliques. Ces implants ne sont pas adaptés à toutes les situations (fractures comminutives, fractures articulaires, fractures pédiatriques) et sont sources de complications et d'interventions secondaires pour les retirer. Un adhésif osseux biorésorbable représenterait une excellente alternative pour relever ces défis. L'objectif de ce travail est de développer un tel adhésif osseux bio-inspiré composé d'une céramique phospho-calcique (le tétracalcium phosphate, TTCP), de phosphosérine (OPS) et de nanoparticules de polydopamine (nPDA).La réalisation de tests mécaniques instrumentaux en traction sur des échantillons en titane collés bout-à-bout a permis de définir la formule chimique optimale suivante : 50%molTTCP/50%molOPS-2%wtnPDA avec un ratio liquide/poudre de 0,21 mL/g (rupture de l'adhésion à 2,75 ± 0,65 MPa à 24 h après collage en milieu physiologique). Les propriétés adhésives ont ensuite été évaluées ex vivo par des tests de traction instrumentaux avec des échantillons d'os cortical bovin collés bout-à-bout ainsi que par traction manuelle de greffes de fibula collées sur des tibias de rat : rupture de l'adhésion à 1,28 ± 0,26 MPa et à 0,69 ± 0,12 MPa respectivement à 24 h après collage en milieu physiologique). La résistance en compression de l'adhésif a par ailleurs été mesurée à 10,85 ± 3,88 MPa. Ces résultats expérimentaux montrent des propriétés adhésives significativement supérieures de la formulation sans nPDA. L'ajout de nPDA entraîne également une minéralisation de l'adhésif plus précoce et plus importante lors du test d'immersion dans le SBF (Stimulated Body Fluid). De plus, l'absence de cytotoxicité a été confirmée par des tests en contact indirect (ISO 10993-5) de l'adhésif avec des cellules pré-ostéoblastiques.Après vérification de l'efficacité du processus de stérilisation et de son impact sur les propriétés adhésives, il a été retrouvé une supériorité de l'irradiation  comparativement à l'oxyde d'éthylène. L'irradiation  est donc la méthode adaptée de stérilisation de cet adhésif.Trois modèles animaux utilisant le rat ont été développés pour évaluer in vivo la biocompatibilité et les propriétés adhésives de l'adhésif osseux : un modèle d'ostéotomie tibiale avec contraintes mécaniques fortes et deux modèles avec contraintes mécaniques faibles (ostéotomie fibulaire et un modèle de fixation d'autogreffe de fibula sur tibia). L'encollage par l'adhésif avec ou sans nPDA n'a pas permis une contention fiable des fragments dans les deux modèles d'ostéotomie en raison des limites du modèle et d'une résistance mécanique de l'adhésif trop faible. A l'inverse, dans le modèle d'autogreffe, l'encollage permettait d'obtenir une tenue mécanique sans déplacement du greffon, sans toutefois différencier l'efficacité des adhésifs avec ou sans nPDA. Par contre, il a été noté de plus importants recouvrements de l'adhésif TTCP/OPS-nPDA par du tissu osseux par rapport à l'adhésif sans nPDA.Enfin, la possibilité de doter l'adhésif osseux de propriétés antibactériennes par le chargement de ciprofloxacine (CFX) dans les nPDA a été évaluée. Des tests microbiologiques (tests de diffusion) ont montré que l'adhésif fonctionnalisé permet la libération prolongée de la CFX et induit une action antibactérienne au moins jusqu'à 30 jours.L'adhésif TTCP/OPS-nPDA a donc démontré des propriétés mécaniques et biologiques adaptées à la fixation du tissu osseux dans les zones de faibles contraintes. De plus, les nPDA peuvent servir de plateforme de fonctionnalisation pour ajouter de nouvelles propriétés, par exemple une action antibactérienne par chargement en CFX. Un renforcement mécanique de l'adhésif et le développement d'un modèle plus adapté utilisant un animal plus gros permettrait d'entrevoir son utilisation en zone de forte contrainte mécanique.

Résumé traduit

Bone fixation, which is necessary when repairing bone fractures or an osteotomy site, or stabilizing bone grafts to reconstruct a bone defect, is currently performed with metallic implants. These implants are not suited to any situation (e.g. comminutive, articular or pediatric fractures), moreover, they are responsible of various complications and often require secondary removal surgeries. A bioresorbable bone adhesive would then be a promising candidate to overcome these challenges. Despite the evident clinical need, there are currently no such bone adhesives in clinical use. The aim of this study is to develop a bioinspired bone adhesive, made up of calcium phosphate ceramic (tetracalcium phosphate, TTCP), phosphoserine (OPS) and nanoparticles of polydopamine (nPDA).The optimal formulation was screened, based on instrumental traction tests of glued end-to-end titanium samples, and found as 50%molTTCP/50%molOPS-2%wtnPDA with a liquid-to-powder ratio of 0.21 mL/g (rupture at 2,75 ± 0,65 MPa after 24 h under simulated physiological conditions). This adhesive was further characterized for its adhesiveness ex vivo on glued end-to-end bovine cortical bone samples (1.28 ± 0.26 MPa by instrumental traction tests) or on rat fibula glued to rat tibia (0.69 ± 0.12 MPa by customized manual traction tests) after 24 h in simulated physiological conditions; and for its resistance to compressive stress (10,85 ± 3,88 MPa). Comparing to that without nPDA, the adhesive with nPDA showed significantly superior adhesive properties, and led to a quicker and more abundant mineralization on the surface of the adhesive during immersion in a simulated body fluid. Moreover, the absence of cytotoxicity of the adhesive (85% cell survival) was confirmed in vitro by indirect contact test (ISO 10993-5) with pre-osteoblastic cells.The sterilizability of the adhesive was investigated, comparing the effect of  irradiation and ethylene oxide. The former was found more suitable than the latter, with full sterility assurance and no impact on the adhesive properties. Hence,  irradiation was opted as the sterilization method for this adhesive.Three rat models representing different clinical scenarios were developed to assess in vivo the biocompatibility and the adhesive properties of the bone adhesive: a tibial osteotomy model with high mechanical load and two models (fibular osteotomy model and fibular autograft fixation on tibia model) with low mechanical load. In both osteotomy models, no matter the mechanical load, the fracture fixation using the adhesive with or without nPDA failed to obtain a reliable stabilization of the bone fragments due to the limits of the model and the intrinsic mechanical weakness of the current adhesive. Encouragingly, in the autograft model, fixation by the adhesives was shown stable and without graft displacement, however, without discriminating the adhesive efficacy between that with and without nPDA. Nevertheless, significant coverage of newly formed bone tissue on the TTCP/OPS-nPDA adhesive were found certainly thanks to the osteoinductive property of nPDA.Furthermore, the biofunctionalization of the adhesive to add antibacterial property through ciprofloxacin (CFX) loading on the nPDA was assessed. Microbiological studies (diffusion tests) showed a prolonged release profile of CFX from functionalized adhesive with an antibacterial activity minimally till 30 days.So far, the TTCP/OPS-nPDA adhesive demonstrated an excellent biocompatibility and mechanical properties suited to the fixation of bone tissue under low mechanical load. Moreover, nPDA could be used as a functionalization platform to offer new biological activities, e.g. antibacterial activity via antibiotics loading. Enhancing the mechanical strength of the adhesive and testing it with a more suitable animal model, i.e. a large animal, might further improve its performance and allow application under high mechanical load.