Soutenance de thèse de Q. BRECHE le 15/11/2016

Quentin BRECHE de l’équipe BIOMMAT a soutenu sa thèse le 15 novembre 2016 intitulée :

Copolymères triblocs biodégradables PLA-b-PEG-b-PLA pour ingénierie tissulaire. Caractérisation et modélisation de l’évolution de leurs propriétés mécaniques au cours de leur dégradation par hydrolyse.

Jury :

  • M. Laurent CHAZEAU, Professeur des Universités, INSA, Rapporteur
  • M. Pierre GILORMINI, Directeur de recherche, Arts et Métiers ParisTech, Examinateur
  • M. Benjamin NOTTELET, Maître de Conférences, Université de Montpellier, Examinateur
  • M. Gérard RIO, Professeur des Universités, Université Bretagne-Sud, Rapporteur
  • M. Denis FAVIER, Maître de Conférences, Université Grenoble Alpes, Directeur de thèse
  • M. Grégory CHAGNON, Maître de Conférences, Université Grenoble Alpes, Co-directeur de thèse
  • M. Guilherme MACHADO, Maître de Conférences, Université Aix-Marseille, Invité

Résumé :

L’ingénierie tissulaire est une méthode de reconstruction d’organes et de tissus vivants. Elle consiste à ensemencer et faire coloniser un implant spécifique appelé scaffold par des cellules. Ce scaffold est un matériau architecturé doté d’une géométrie adaptée à l’organe à reconstruire. Sa fonction est de servir de guide et de support de régénération au tissu. Afin d’éviter les conséquences à long terme de la présence d’un implant synthétique dans l’organisme (risque de rejet, inflammation ...) l’idéal est d’utiliser un matériau biorésorbable qui, se dégradant au fur et à mesure de la reconstruction, laisse place aux néo-tissus formés. Les polymères biorésorbables sont, grâce à la vaste gamme de propriétés qu’ils proposent, les meilleurs candidats pour ce genre d’applications. Un polymère biorésorbable particulièrement intéressant est le PLA-b-PEG-b-PLA. En effet, celui-ci est biocompatible et possède, par sa structure tribloc, une potentielle vaste gamme de propriétés physiques et mécaniques. La réussite de la reconstruction tissulaire nécessite une parfaite connaissance du comportement mécanique du matériau constituant le scaffold ainsi que son évolution au cours de la dégradation. La caractérisation et la modélisation du PLA-b-PEG-b-PLA sont donc cruciaux en vue de la fabrication de scaffolds.

L’objectif de cette thèse est la caractérisation expérimentale et la modélisation du comportement mécanique des polymères PLA-b-PEG-b-PLA au cours de leur dégradation. L’intérêt est de fournir des outils de dimensionnement de scaffolds biorésorbables pour l’ingénierie tissulaire. Dans un premier temps, des essais de traction-relaxation ont été conduits sur un PLA-b-PEG-b-PLA à différents temps de dégradation. Afin de réaliser ces essais dans des conditions proches de celles rencontrées in vivo, un dispositif expérimental permettant d’accomplir des essais mécaniques en milieu immergé à une température de 37°C a été mis au point. A partir de ces essais, un modèle viscoélastique linéaire capable de prendre en compte la variation des propriétés mécaniques au cours de la dégradation pour de faibles déformations a été réalisé. Dans un second temps, afin de modéliser le comportement mécanique dans une gamme plus large de déformations, un modèle viscoélastique non-linéaire a été développé. Il s’agit d’un modèle quasi-linéaire viscoélastique adaptatif capable de prédire les courbes de traction-relaxation à différents niveaux de déformation ainsi que la perte de propriétés mécaniques au cours de la dégradation. Lors de la troisième partie, des PLA-b-PEG-b-PLA de compositions et masses molaires différentes ont été caractérisés afin d’étudier l’influence de la structure originelle du polymère sur leurs propriétés mécaniques et leur évolution au cours de la dégradation. La capacité du modèle viscoélastique linéaire précédemment développé à prédire le comportement des différents polymères a alors été discutée. Dans une dernière partie, le modèle viscoélastique linéaire dégradable a été utilisé pour simuler numériquement le comportement mécanique d’un tricot potentiellement utilisable en ingénierie tissulaire.

Mots clés : PLA-b-PEG-b-PLA, dégradation, propriétés mécaniques, modèle viscoélastique

Abstract :

Tissue engineering is an interdisciplinary field at the interface between engineering and biological science. It consists in seeding an implant called scaffold with cells taken from the patient and cultivated in vitro. The cells will then colonize and recreate a tissue that takes the shape of the scaffold. By this process, it is possible to regenerate organs such as bones, skin, ligaments… In this objective, some plastic materials (called polymers) are particularly interesting due to their bioresorbable properties, allowing them to degrade safely in the organism through the regeneration process, and decreasing long-term risks.

The scaffold, in order to allow a good tissue reconstruction, needs to reproduce at best the cells’ environment inside the organism. In particular, its mechanical properties must be compatible with those of the tissue in reconstruction. Moreover, the scaffold must often be used as a mechanical substitute to the injured organ. Thus, the knowledge of the mechanical properties of the implant is of utmost important. The triblock copolymer PLA-b-PEG-b-PLA is a very good candidate for tissue engineering applications. The aim of this thesis is to characterize and model the evolution of a PLA-b-PEG-b-PLA triblock copolymer during hydrolytic degradation. At first, a specific experimental device was designed in order to realize mechanical tests in an environment close to in vivo conditions. Some mechanical tests have then been realized at different degradation times. To model these tests, a degradable linear viscoelastic model was developed. Then, a non-linear viscoelastic model was developed in order to take into account a larger range of deformation. To compare the effect of the initial composition of the polymer on degradation, different polymers with different macromolecular parameters were tested. In the last part, the degradable linear viscoelastic model was used to simulate a knitted textile that could potentially be used in tissue engineering.

Keywords : PLA-b-PEG-b-PLA, degradation, mechanical properties, viscoelastic model


Laboratoire TIMC-IMAG, Domaine de la Merci, 38706 La Tronche Cedex

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