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Additive-enhanced biopolymer scaffolds for bone repair. / Échafaudages de biopolymère avec additifs pour la réparation des os.

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Deen, Imran (2021). Additive-enhanced biopolymer scaffolds for bone repair. / Échafaudages de biopolymère avec additifs pour la réparation des os. Thèse. Québec, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 179 p.

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Résumé

Présentement, la technique de prélever du tissu osseux d’un site donneur pour une greffe osseuse est bien établie, mais entraines toutes sortes de complications. Les biomatériaux sont considérés comme la prochaine itération pour avancer la médecine régénératrice, et qui peut remplacer la nécessité d’une opération chirurgicale pour prélever l’os, ou d’utiliser l’os d’une source externe, ce qui produit dans une réponse antigénique. La création des biomatériaux qui peuvent incorporer des éléments bioactifs et qui ont des propriétés de guérison significativement plus élevées que les matériaux traditionnels est donc extrêmement désirable. Le but de ce projet est d’incorporer des éléments bioactifs, tels que des polypeptides dérivés de la fibroïne (FDP) de soie et des verres bioactifs (spécifiquement du verre de phosphate, PG), dans des échafaudages de collagène et de chitosan. L’objectif est de créer un échafaud biocompatible avec des propriétés mécaniques et biologiques comparable au tissu osseux et qui peuvent être utilisés pour la réparation des os. En outre, l’utilisation de ces éléments peuvent également être utilisés pour créer des couches bioactives pour les implants biomédicaux (prothèses métalliques). Les éléments bioactifs seront incorporés dans les hydrogels dans le but d’améliorer les propriétés biologiques et mécaniques du gel et la biocompatibilité de l’échafaudage, le rendant plus attirant pour des applications cliniques. La composition, la morphologie et la structure de ces gels et échafaudages, avec et sans additifs bioactifs incorporés, seront analysées. L’objectif final est de caractériser l’effet des additifs dans les hydrogels et les échafaudages en termes de propriétés de matériaux et biologiques. Le chitosan (CTS) est un polymère non toxique, biocompatible et biodégradable qui a suscité un intérêt considérable dans un large éventail d’applications biomédicales et pharmaceutiques, y compris l’administration de médicaments et l’ingénierie des tissus osseux. L’utilisation des verres de phosphates dopés avec CuO pour améliorer la nucléation de l’hydroxyapatite (HA) a été étudiée au cours de ce projet/recherche, qui montre que les groupes phosphate anioniques et les ions calcium libérés des verres phosphatés dissous peuvent être utilisés pour générer HA in vitro. À cette fin, on a fabriqué des hydrogels de CTS-collagène mélangés (à un rapport de 1:1 et 1:2 par poids) incorporant 50 wt% de PG, ainsi que des revêtements de CTS-collagène PG fabriqués par déposition électrophorétique (EPD). Les résultats expérimentaux comprennent l'analyse de la taille des particules (PSA), l'imagerie par microscopie électronique à balayage (SEM), la spectroscopie par réflectance totale atténuée et infrarouge à transformée de Fourier (ATR FT-IR), l'analyse thermogravimétrique (TGA), la spectroscopie par diffraction des électrons (EDS), la spectroscopie de diffraction des électrons (EDS), la spectroscopie d'électro-impédance (EIS), la chromatographie liquide-spectrométrie de masse (LCMS), la diffraction des rayons X (XRD), la microbalance à cristaux de quartz (QCM) et l'analyse pondérale ont été utilisées pour caractériser les hydrogels et les revêtements obtenus et étudier leur composition et leur structure. La caractérisation des bioadditifs par ATR FT-IR et XRD a montré que les FDP immergés dans du fluide corporel simulé (SBF) ont nucléé HA in vitro, mais lorsqu'ils ont été incorporés dans un hydrogel, ils n'ont pas montré de différence significative par rapport au contrôle. En outre, les résultats du LCMS ont montré que les FDP étaient composés d'acides aminés largement neutres (~97% du total), ce qui explique leur incapacité à attirer les anions et les cations nécessaires à la nucléation de HA. D’autre part, le PG ont montré un potentiel de minéralisation de HA, car il a conservé ~20% de son masse initiale lorsqu'il a été immergé dans le SBF (par rapport à une dissolution totale dans H₂O), et a augmenté en masse lorsqu'il a été placé dans un hydrogel in vitro. De plus, les images SEM du PG immergé dans le SBF a montré la formation de nouvelles particules après trois jours. Des résultats similaires ont été observés dans les hydrogels, et après sept jours la masse de l'hydrogel de PG était significativement plus élevée que la masse des hydrogels sans PG. Les spectres ATR FT-IR ont montré des bandes associées à la présence de phosphates, et la caractérisation élémentaire par EDS a montré 30-40% de phosphore lorsque le PG dopé avec CuO était incorporé dans les hydrogels. Les profils XRD ont confirmé la formation d'une nouvelle particule qui correspond au profil du phosphate de calcium amorphe (ACP). L'EPD a montré que le co-déposition de particules de PG dans les revêtements de collagène/CTS à température et pression ambiantes standard (1 kPa, 25 ºC) était possible, et que l'ajout de collagène conduisait à la stabilisation stérique du PG en solution. PSA a montré que la suspension colloïdale de PG sédimentait avec le temps, et la taille moyenne des particules diminuant de 11,8 μm à 5,6 μm après avoir été laissée au repos pendant 15 minutes. Cependant, le rendement du dépôt à différents points de temps a montré un profil typique du dépôt à tension constante. L'augmentation de la concentration de collagène dans la solution de PG permettait d'obtenir un rendement de dépôt plus élevé, tandis que les solutions de collagène pur ont entraîné la formation des bulles d'hydrogène gazeux à la cathode. Les images SEM ont montré des particules de PG plus grandes déposées avec le collagène qu'avec le chitosan, et l'ATR FT-IR a montré une présence significative de phosphate qui augmente avec la concentration de collagène. Le TGA a montré que la masse des particules de PG déposées augmente de 5-15% en poids avec le seul chitosan à 62-68% en poids avec le collagène. Ce travail fournit une base pour optimiser davantage les propriétés des hydrogels incorporant des verres de phosphate pour l'ingénierie du tissu osseux. Les résultats obtenus montrent que le PG a la capacité de se former un matériau analogue à l'os dans un hydrogel in vitro, ainsi que de se co-déposer avec des biopolymères et de former des revêtements qui peuvent imiter le tissu osseux natif. L'utilisation du PG offre la possibilité de fabriquer des tissus osseux de remplacement ou des implants orthopédiques aux propriétés biologiques adaptées, et avec une bioactivité accrue, tout en minimisant le risque de rejet de la part de l'hôte.

The current approach for harvesting bone tissue for bone grafts is well established, yet has a host of complications associated with it. Biomaterials are viewed as the next step in regenerative medicine that can replace the need to either have an invasive surgery to harvest bone, or harvest bone from an external source that elicits an antigenic response. Creating biomaterials that can incorporate bioactive elements and have significantly higher healing properties than traditional materials is thus extremely desirable. The aim of this project is to incorporate bioactive elements, such as silk fibroin derived polypeptides (FDP) and bioactive glasses (e.g. phosphate glass, PG), into hydrogel scaffolds based on collagen and/or chitosan (CTS). The end goal is to create a dense, biocompatible scaffold with suitable biological properties that can be used for bone repair. Furthermore, the use of these materials to create bioactive coatings for biomedical implants is also being investigated. The bioactive additives were incorporated into the hydrogels with the expectation that they would improve the biological properties of the gel and biocompatibility of the scaffold, making it more suitable for clinical applications. The composition, morphology and structure of these gels and scaffolds with and without bioactive additives incorporated were analyzed and compared. Then end goal was to characterize the effect of incorporating additives into hydrogels and scaffolds in terms of their material and biological properties. CTS, a natural cationic polysaccharide, is derived from chitin, a naturally available marine polymer, and Type I collagen, the organic component of bone, were used for scaffold creation. CTS is a non toxic, biocompatible and biodegradable polymer and has attracted considerable interest in a wide range of biomedical and pharmaceutical applications including drug delivery and tissue engineering. The use of silk FDPs and CuO-doped PG to improve hydroxyapatite (HA) nucleation was investigated in the following work, which shows that the anionic phosphate groups and calcium ions released from dissolved phosphate glasses can be used to generate HA in vitro. To this end, blended CTS-collagen hydrogels (at a 1:1 and 1:2 ratio by mass) incorporating 50 wt% glass phosphate were fabricated, as well as CTS-collagen-PG coatings manufactured via Electrophoretic Deposition (EPD) using similar ratios. Experimental results including particle size analysis (PSA), scanning electron microscopy (SEM) imaging, attenuated total reflectance-Fourier transform infrared (ATR FT-IR) spectroscopy, Thermogravimetric Analysis (TGA), Electron Diffraction Spectroscopy (EDS), Electro Impedance Spectroscopy (EIS), Liquid Chromatography–Mass Spectrometry (LCMS), X-ray Diffraction (XRD), Quartz Crystal Microbalance (QCM) and weight analysis were used to characterize the resulting hydrogels and coatings and investigate their composition and structure. The characterization of the bioadditives via ATR FT-IR and XRD showed that silk FDPs immersed in Simulated Body Fluid (SBF) did nucleate HA in vitro, but when incorporated into a hydrogel did not show a significant different compared to the control. Furthermore, LCMS results showed that the FDPs were composed of largely neutral amino acids (~97% if the total), which provides an explanation for its inability to attract the necessary anions and cation to nucleate HA. Conversely, PG showed potential to mineralize HA, as it retained ~20% of its initial mass when immersed in SBF (compared to total dissolution in H₂O), and increased in mass when placed in a hydrogel in vitro. SEM of the PG immersed in SBF showed the formation of new particles after three days. Similar results were seen observed in DC gels, and after seven days the mass of the PG hydrogel was significantly higher than that of pure DC gels. ATR FT-IR spectra showed bands associated with the presence of calcium phosphates, and elemental characterization via EDS showed 30-40% phosphorus when CuO-doped PG was incorporated into the dense hydrogels. XRD confirmed the formation of a new particle that matches the profile of amorphous calcium phosphate (ACP). EPD showed the co-deposition of PG particles within collagen/CTS coatings at standard ambient temperature and pressure (1 kPa, 25 ºC) was possible, and the addition of collagen led to the steric stabilization of PG in solution. PSA showed that that the a colloidal suspension of PG sediment with time, with average particle size decreasing from 11.8 μm to 5.6 μm after being left to sit for 15 minutes. However, the deposition yield at different time points showed a profile typical of constant voltage deposition. Increasing the concentration of collagen in the PG solution allows for a higher deposition yield, while pure collagen solutions resulted in hydrogen gas evolution at the cathode. SEM images showed larger PG particles deposited with collagen than chitosan, and ATR FT-IR showed a significant phosphate presence that increased with collagen concentration, and TGA showed that the mass of PG particles deposited increases from 5-15 wt% with only chitosan to 62-68 wt% with collagen. This work provides a foundation to further optimize the properties of hydrogels incorporating phosphate glasses for bone tissue engineering. The results obtained show that PG has the ability to nucleate into a bone-analogous material within a hydrogel in vitro, as well as co-deposit with biopolymers and form coatings that can mimic native bone tissue. The use of PG allows for the potential to fabricate replacement bone tissue or orthopaedic implants with tailored biological properties with lower risk of rejection from the host and exhibit increased bioactivity.

Type de document: Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Rosei, Federico
Mots-clés libres: biomatériaux; ingénierie tissulaire; collagène; chitosan; hydrogel; échafaudage; dépôt électrophorétique; minéralisation; hydroxyapatite; verre phosphate; biomaterials; tissue engineering; collagen; chitosan; hydrogel; scaffold; electrophoretic deposition; mineralization; hydroxyapatite; phosphate glass
Centre: Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt: 19 nov. 2021 14:45
Dernière modification: 16 févr. 2022 05:00
URI: https://espace.inrs.ca/id/eprint/12071

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