Soutenance de thèse de Joëlle EL HAYEK – 19/12/2022

Soutenance de thèse de Joëlle EL HAYEK

Le 19 Décembre 2022

« Synthèse , fonctionnalisation et impression 3D de biocéramiques pour l’ingénierie osseuse »

 

Membres du Jury :
– Mme Nadine NASSIF, Directeur de recherche, LCMCP , Sorbonne Université – Collège de France, Paris – Rapporteur
– Mme Brigitte GROSGOGEAT,  Professeur, Université de Claude Bernard Lyon 1 – Examinateur
– M. Houssam RASSY, Professeur, Université américaine de Beyrouth , Liban – Rapporteur
– M. Kamil RAHME, Professeur associé, Université Notre Dame , Zouk Liban – Examinateur
– M. Philippe MIELE, Professeur, École Nationale Supérieure de Chimie de Montpellier – Directeur de thèse
– Mme Mirvat ZAKHOUR, Professeur, Université Libanaise, Liban – Directeur de thèse
– M. Michel NAKHL, Professeur, Université Libanaise, Liban-  Co–directeur de thèse
– Mme Chrystelle SALAMEH, Maître de conférences, ENSCM – Co–directeur de thèse
– Mme Laurence SOUSSAN, Maître de conférences, ENSCM – Membre invitée

Résumé :
L’élaboration de matériaux pour l’ingénierie tissulaire et osseuse reste un véritable enjeu pour réparer, implanter ou combler des tissus osseux ou conjonctifs lésés. Les biocéramiques à base de silicate possèdent une excellente bioactivité et sont considérées comme des matériaux prometteurs pour la régénération osseuse ; cependant leur synthèse et leur fabrication sous formes géométriques complexes via des techniques conventionnelles est encore difficile. L’objectif de cette thèse est de fabriquer de biocéramiques tridimensionnelles en couplant la chimie de synthèse à l’impression 3D afin d’atteindre une parfaite maîtrise de i) la composition chimique, ii) de la structure, iii) de la porosité et iv) des propriétés mécaniques du matériau obtenu. La première partie de ce travail était basée sur l’impression indirecte de biocéramiques en combinant l’impression 3D par Fused Deposition Modeling (FDM) à la méthode de réplique. Des motifs en acide polylactique (PLA) sous forme de nids d’abeilles ont été imprimés et ensuite revêtus par dip-coating dans une solution contenant tous les précurseurs de la céramique finale (i.e. polysilsesquioxane+CaCO₃), puis transformés par pyrolyse en céramique β-Ca₂SiO₄. Toutes les étapes du procédé (résolution d’impression et finition de surface, revêtement par dip coating et traitement thermique) ont été optimisées et contrôlées. Nos résultats montrent que l’impression 3D assistée par un moule sacrificiel est une approche rapide appropriée pour produire des biocéramiques en 3D à architectures complexes et porosités élevées (≈ 90 % ± 0.9 %). La céramique 3D obtenue a été ensuite chargée avec un médicament antibiotique (Tétracycline chlorohydratée, TCH) en utilisant le polycaprolactone (PCL) comme support. En effet, le PCL (hydrophobe) permet de modifier l’état de surface de la céramique (qui est hydrophile) pour favoriser un relargage contrôlé du médicament au cours du temps dans une solution tampon phosphate (PBS). Les résultats ont montré que la structure 3D ainsi que l’ajout du PCL ont ralenti la vitesse de relargage du médicament. De plus, des tests antibactériens conte les bactéries Gram négatif Escherichia coli par diffusion ont étés réalisés démontrant les propriétés antibactériennes de la céramique préparée. Dans la deuxième partie de notre travail, nous nous sommes intéressés à l’impression 3D directe de biocéramiques en utilisant la technologie basée sur la photopolymérisation sous rayonnement UVs (appelée UV-LCD) qui permet d’imprimer rapidement et en une étape des objets précéramiques à très haute résolution. Deux types de mélanges précéramiques photosensibles, précurseurs de la biocéramique β-Ca₂SiO₄, ont été utilisés : i) mélange d’un polymère précéramique commercial de type polysilsesquioxane (Silres MK) et d’une résine photosensible commerciale biosourcée PLA et ii) mélange d’un polymère précéramique photosensible synthétisé « à façon » qui contient tous les éléments de la céramique finale et où sont greffées directement les fonctions photosensibles permettant donc l’impression directe du précurseur sans l’utilisation de la résine PLA. Dans les 2 cas, le mélange a été mixé à des charges d’oxyde inorganique CaCO₃. Après impression, un traitement thermique est nécessaire afin de convertir l’objet polymère 3D en céramique 3D. Les céramiques ainsi obtenues ont été ensuite fonctionnalisés par des nanoparticules d’argent uniformément dispersées sur de l’oxyde de graphène afin d’évaluer leurs activités antibactériennes. Les analyses XPS et MET couplées à l’EELS ont confirmé la formation de nanoparticules d’argent dans l’oxyde de graphène avec un diamètre moyen de 30 nm. L’activité antibactérienne a été démontrée avec succès sur Escherichia coli avec une meilleure performance pour la céramique issue du polymère synthétisé « à façon ». Une excellente biominéralisation a été démontrée dans les deux cas, la surface des deux céramiques étant complètement recouvertes par la phase apatite en une semaine d’immersion dans le SBF. En outre, la résistance à la compression et la porosité des β-Ca₂SiO₄ issues du polymère commercial et du polymère synthétisé « à façon » s’ont avérées être de 37,6 ± 1,05 MPa, 70 ± 1,5 % et 41,25 ± 1,76 MPa, 59,8 ± 0,7 % respectivement qui sont des valeurs relativement élevées en les comparant à la littérature. En raison de leurs porosités interconnectées, de leurs excellentes biominéralisation et de leurs propriétés antibactériennes, ces matériaux peuvent êtres des candidats prometteurs pour l’ingénierie du tissu osseux.

Mots clés : Impression 3D, photopolymérisation, biocéramiques, biominéralisation, activité antibactérienne, relargage.

 

Abstract:

The development of materials for tissue and bone engineering remains a real challenge for repairing, implanting or filling damaged bone or connective tissue. Silicate-based bioceramics possess excellent bioactivity and are considered as promising materials for bone regeneration; however, their synthesis and fabrication in complex geometrical forms using conventional techniques is still difficult. The objective of this thesis is to fabricate three-dimensional bioceramics by coupling synthetic chemistry to 3D printing in order to achieve a perfect control of i) the chemical composition, ii) the structure, iii) the porosity and iv) the mechanical properties of the obtained material. The first part of this work was based on the indirect printing of bioceramics by combining 3D printing by Fused Deposition Modeling (FDM) with the replica method. Polylactic acid (PLA) honeycomb patterns were printed and then coated by dip-coating in a solution containing all the precursors of the final ceramic (i.e. polysilsesquioxane+CaCO₃), and then transformed by pyrolysis into β-Ca₂SiO₄ ceramic. All process steps (printing resolution and surface finishing, dip coating and heat treatment) were optimized and controlled. Our results show that sacrificial mold-assisted 3D printing is a suitable fast approach to produce 3D bioceramics with complex architectures and high porosities (≈ 90 % ± 0.9 %). The resulting 3D ceramic was then loaded with an antibiotic drug (Tetracycline chlorohydrate, TCH) using polycaprolactone (PCL) as a support. Indeed, PCL (hydrophobic) allows to modify the surface state of the ceramic (which is hydrophilic) to promote a controlled release of the drug over time in a phosphate buffer solution (PBS). The results showed that the 3D structure as well as the addition of PCL slowed the rate of drug release. Moreover, antibacterial tests against Gram-negative Escherichia coli bacteria by diffusion were performed demonstrating the antibacterial properties of the prepared ceramic. In the second part of our work, we are interested in the direct 3D printing of bioceramics using the technology based on UV light curing (called UV-LCD) which allows to print quickly and in one step preceramic objects with very high resolution. Two types of light-sensitive preceramic mixtures, precursors of the β-Ca₂SiO₄ bioceramic, were used: i) a mixture of a commercial polysilsesquioxane (Silres MK) preceramic polymer and a commercial biobased PLA photosensitive resin and ii) a mixture of a « custom » synthesized photosensitive preceramic polymer which contains all the elements of the final ceramic and where the photosensitive functions are directly grafted allowing therefore the direct printing of the precursor without the use of the PLA resin. In both cases, the mixture was mixed with CaCO₃ inorganic oxide fillers. After printing, a heat treatment is necessary to convert the 3D polymer object into a 3D ceramic. The resulting ceramics were then functionalized with silver nanoparticles uniformly dispersed on graphene oxide in order to evaluate their antibacterial activities. XPS and TEM analyses coupled with EELS confirmed the formation of silver nanoparticles in graphene oxide with an average diameter of 30 nm. The antibacterial activity was successfully demonstrated on Escherichia coli with a better performance for the ceramic from the custom synthesized polymer. Excellent biomineralization was demonstrated in both cases, the surface of both ceramics being completely covered by the apatite phase within one week of immersion in SBF. In addition, the compressive strength and porosity of β-Ca₂SiO₄ from the commercial polymer and the « custom » synthesized polymer were found to be 37.6 ± 1.05 MPa, 70 ± 1.5 % and 41.25 ± 1.76 MPa, 59.8 ± 0.7 % respectively which are relatively high values when compared to the literature. Due to their interconnected porosities, excellent biomineralization and antibacterial properties, these materials may be promising candidates for bone tissue engineering.

Keywords : 3D printing, photopolymerization, bioceramics, biomineralization, antibacterial activity, release.