Impact of Dynamic Culture in the RCCS! Bioreactor on a Three-Dimensional Model of Bone Matrix Formation

Abstract The dynamic, fluid-filled RCCS! bioreactor, based on the operational principle of relative micro-gravity condition, is a new efficient system devised to perform long-term three-dimensional (3D) culture of cells and tissue explants. In the present study, we evaluated the impact of the RCCS!-produced hydrodynamic condition on an innovative 3D in vitro model of osteocytes' differentiation and bone matrix formation, obtained by coupling primary human osteoblasts with biphasic calcium phosphate (BCP) ceramic particles

An in vitro analysis model for investigating the staining effect of various chlorhexidine-based mouthwashes

There are different mouthwashes containing chlorhexidine in different concentrations, as well as various excipients. Chlorhexidine induce stains or discoloration in teeth and mucous membranes. The aim of this work was to design a model to reproduce in vitro staining associated with the use of different mouthwashes containing chlorhexidine. We used as substrates of natural teeth and elephant ivory slices. Different incubation baths were conducted over 21 days in culture dishes at 37°C. At the beginning of experiment before incubation (D0) and after 21 days (D21) of incubation with different mouthwashes, pictures of substrates were taken in a standardized manner and an image analysis software was used to analyse and quantify the staining under the various conditions by using the 3 main colours (Red, Green, Blue, RGB). The results of this work demonstrate a very good reproducibility of the protocol, and secondly, a different expression statistically significant of the primary blue colour. We suggest that for a given concentration of chlorhexidine, the staining effects may vary depending on the excipients used. This replicable model, easy to implement over a relatively short duration, can be used for evaluation of existing mouthwashes, and to test the excipients anti discoloration proposed by manufacturers

Implants delivering bisphosphonate locally increase periprosthetic bone density in an osteoporotic sheep model. A pilot study

It is a clinical challenge to obtain a sufficient orthopedic implant fixation in weak osteoporotic bone. When the primary implant fixation is poor, micromotions occur at the bone-implant interface, activating osteoclasts, which leads to implant loosening. Bisphosphonate can be used to prevent the osteoclastic response, but when administered systemically its bioavailability is low and the time it takes for the drug to reach the periprosthetic bone may be a limiting factor. Recent data has shown that delivering bisphosphonate locally from the implant surface could be an interesting solution. Local bisphosphonate delivery increased periprosthetic bone density, which leads to a stronger implant fixation, as demonstrated in rats by the increased implant pullout force. The aim of the present study was to verify the positive effect on periprosthetic bone remodeling of local bisphosphonate delivery in an osteoporotic sheep model. Four implants coated with zoledronate and two control implants were inserted in the femoral condyle of ovariectomized sheep for 4 weeks. The bone at the implant surface was 50% higher in the zoledronate-group compared to control group. This effect was significant up to a distance of 400µm from the implant surface. The presented results are similar to what was observed in the osteoporotic rat model, which suggest that the concept of releasing zoledronate locally from the implant to increase the implant fixation is not species specific. The results of this trial study support the claim that local zoledronate could increase the fixation of an implant in weak bone

Prediction of bone density around orthopedic implants delivering bisphosphonate

The fixation of an orthopedic implant depends strongly upon its initial stability. Peri-implant bone may resorb shortly after the surgery. This resorbtion is directly followed by new bone formation and implants fixation strengthening, the so-called secondary fixation. If the initial stability is not reached, the resorbtion continues and the implant fixation weakens, which leads to implant loosening. Studies with rats and dogs have shown that a solution to prevent peri-implant resorbtion is to deliver bisphosphonate from the implant surface. The aims of the study were, first, to develop a model of bone remodeling around an implant delivering bisphosphonate, second, to predict the bisphosphonate dose that would induce the maximal peri- implant bone density, and third to verify in vivo that peri-implant bone density is maximal with the calculated dose. The model consists of a bone remodeling equation and a drug diffusion equation. The change in bone density is driven by a mechanical stimulus and a drug stimulus. The drug stimulus function and the other numerical parameters were identified from experimental data. The model predicted that a dose of 0.3µg of zolderonate on the implant would induce a maximal bone density. Implants with 0.3µg of zoledronate were then implanted in rat femurs for 3, 6 and 9 weeks. We measured that peri-implant bone density was 4% greater with the calculated dose compared to the dose empirically described as best. The approach presented in this paper could be used in the design and analysis processes of experiments in local delivery of drug such as bisphosphonate

Novel phosphate–phosphonate hybrid nanomaterials applied to biology

International audienceA new process for preparing oligonucleotide arrays is described that uses surface grafting chemistry which is fundamentally different from the electrostatic adsorption and organic covalent binding methods normally employed. Solid supports are modified with a mixed organic/inorganic zirconium phosphonate monolayer film providing a stable, well-defined interface. Oligonucleotide probes terminated with phosphate are spotted directly to the zirconated surface forming a covalent linkage. Specific binding of terminal phosphate groups with minimal binding of the internal phosphate diesters has been demonstrated. On the other hand, the reaction of a bisphosphonate bone resorption inhibitor (Zoledronate) with calcium deficient apatites (CDAs) was studied as a potential route to local drug delivery systems active against bone resorption disorders. A simple mathematical model of the Zoledronate/CDA interaction was designed that correctly described the adsorption of Zoledronate onto CDAs. The resulting Zoledronate-loaded materials were found to release the drug in different phosphate-containing media, with a satisfactory agreement between experimental data and the values predicted from the model

Contribution à l'optimisation de céramiques phosphocalciques macroporeuses pour le comblement de défauts osseux (élaboration et caractérisation mécanique et architecturale ; étude de la fonctionnalité in vivo)

Les céramiques phosphocalciques macroporeuses biphasées en hydroxyapatite (HA) et en phosphate tricalcique b (b-TCP) sont couramment utilisées pour le comblement de défauts osseux. Le phénomène de résorption-substitution osseuse nécessite la présence d'une structure poreuse, destinée à permettre la réhabitation du substitut par les cellules du tissu osseux néoformé (macroporosité) et l'imprégnation par les fluides biologiques (microporosité). Mais cette porosité pénalise les propriétés mécaniques de ces matériaux alvéolaires, pourtant précieuses in vivo lors de l'implantation. L'objectif général de ce travail a été de mieux comprendre les interactions entre la porosité et les propriétés mécaniques de ces matériaux alvéolaires. Pour moduler véritablement tous les paramètres architecturaux, un mélange porogène original a été utilisé, favorisant l'émergence d'une classe mésoporeuse et augmentant l'interconnexion entre les pores. Un plan factoriel d'expériences a permis de déterminer l'influence des paramètres de synthèse sur les propriétés mécaniques et architecturales des céramiques obtenues. Une céramique optimale au sein du domaine exploré a été retenue : sa bio-fonctionnalité a été évaluée au cours d'une expérience pré-clinique réalisée chez le Lapin. La quantité de repousse osseuse mesurée s'est avérée comparable à celle présente dans des substituts déjà commercialisés, mais avec une répartition plus homogène au sein de l'implant. Dans un second temps, l'étude s'est attachée à déterminer qui de la composition chimique ou de l'architecture poreuse du substitut favorisait de manière prépondérante le phénomène de résorption-substitution osseuse. Des céramiques macroporeuses monophasées en b-TCP pur ou dopé au sodium, ont alors été synthétisées selon un protocole optimal dégagé dans la première partie. Après caractérisation, elles ont été implantées dans le même modèle animal. Ce travail permet souligner l'influence prépondérante de l'architecture poreuse, dans le phénomène de résorption-substitution de cette classe de biocéramiques.NANTES-BU Sciences (441092104) / SudocNANTES-Ecole Centrale (441092306) / SudocSudocFranceF

Fabrication et propriétés mécaniques de ciments phosphocalciques poreux pour la substitution osseuse

Cette étude traite des relations entre microstructure et propriétés mécaniques de ciments phosphocalciques (CPC) à base de phosphate tricalcique ( -TCP) pour la substitution osseuse. Des CPC aux microstructures variées ont été fabriqués et testés; leurs propriétés mécaniques ont été modélisées en fonction de la porosité. Du -TCP n'ayant pas réagi a été détecté, présentant une interface microfissurée avec la matrice d'apatite, ce qui abaisse le module d'Young. Plus la microstructure est grossière, plus la taille du défaut critique est grande. Dans les matériaux macroporeux, la taille du défaut critique augmente avec la macroporosité, probablement à cause d'une fissuration sous-critique lors du chargement, en compression comme en flexion. Par ailleurs, un rapport liquide/poudre élevé pendant la fabrication réduit la fiabilitémécanique (module de Weibull) des CPC microporeux, en raison de bulles d'air emprisonnées de taille variable, agissant comme défauts critiques aléatoires. La fiabilité des CPC macroporeux est moins sensible au procédé, puisqu'ils sont fabriqués en utilisant un porogène calibré et ont une microstructure plus déterministe. Finalement, des CPC composites ont été développés en utilisant différents éthers de cellulose; leurs propriétés mécaniques et de mise en œuvre ont été étudiées. Ces additifs améliorent l'injectabilité, la cohésion, la tenacité et la tolérance à l'endommagement. Un hydrogel Si-HPMC a aussi été essayé comme agent moussant pour produire des CPC macroporeux; ils possèdent une microstructure et des propriétés prometteuses. Les connaissances acquises devraient permettre de trouver un compromis entre comportement mécanique et biologique.NANTES-BU Sciences (441092104) / SudocSudocFranceF

Élaboration et propriétés mécaniques de biocéramiques macroporeuses pour la substitution osseuse

Les céramiques biphasées d hydroxypatite et de phosphate tricalcique, implantées comme substituts osseux sont remplacées par un os naturel au cours du processus biologique de remodelage du squelette. Ceci n est possible que si la microstructure du matériau comporte une porosité bimodale interconnectée. Or, la porosité est le principal facteur diminuant leurs propriétés mécaniques. Ce travail est une étude complète de l influence de la porosité sur les propriétés de déformation et de rupture du matériau, depuis l élaboration jusqu à la description du comportement mécanique. Des essais de compression et de flexion ont été réalisés sur des éprouvettes balayant toute la plage de porosité fabricable. Les résultats des essais ont été décrits à l aide de modèles analytiques dont tous les paramètres ont un sens physique. Leur pertinence ainsi que la validité de leurs hypothèses de construction ont été étudiées. Ces modèles permettent la description du comportement mécanique du matériau sur tout le domaine de porosité. Une méthode de simulation numérique a été validée pour la description du comportement élastique du matériau puis utilisée pour étudier l influence de la modification de la morphologie des pores. Les travaux suggèrent la nécessité d une approche combinée de mécanique de la rupture et d étude de la concentration des contraintes par les pores pour décrire de manière complète la rupture fragile du matériau à partir de défauts dont la formation serait due à la microfissuration sous-critique pendant le chargement. Les conclusions et les outils issus des résultats de la thèse ont été utilisés pour concevoir des structures poreuses optimisées pour la substitution osseuseBiphasic ceramics made of hydroxyapatite and tricalcium phosphate, used as bone substitutes, are replaced by natural bone during the skeleton remodeling biological process. This is possible only if the microstructure of the material presents an interconnected bimodal porosity. However, porosity is the main factor that decreases their mechanical properties. This work is a complete study of the influence of porosity on the deformation and fracture properties of the materials, from their elaboration to the description of their mechanical behaviour. Compression and bending tests have been performed on specimens covering the whole attainable range of porosity. Test results have been described using analytical models for which all parameters have a physical meaning. Their validity and the hypothesis that led to their definition have been studied. These models allow the description of the mechanical behaviour of the material over the whole range of porosity. A numerical simulation method has been validated for the description of the elastic behaviour of the material, and then to study the influence of a modification of pore morphology. This work suggests the need for an approach combining fracture mechanics and stress concentration by pores, to describe in a complete manner the brittle fracture of the material from flaws which formation would be due to sub-critical microcracking during loading. The conclusions and tools originating from the results have been used to design optimised porous structures for bone substitutionNANTES-BU Sciences (441092104) / SudocSudocFranceF

Synthèse et caractérisation de biomatériaux phosphocalciques multiphasés dopés ou non avec des inhibiteurs de la résorption osseuse

Les substituts osseux constituent une alternative à l'utilisation des greffes osseuses.Les ciments phosphocalciques sont des candidats de choix puisqu'ils sont biocompatibles et injectables. Toutefois leur utilisation est limitée aux sites osseux sains, aux zones non porteuses et à des petits défauts. La première partie de cette thèse s'inscrit dans le développement d'un dispositif médical combiné pour la libération locale du gallium, potentiel inhibiteur de la résorption osseuse, afin de renforcer des sites osseux fragilisés par l'ostéoporose. Dans un premier temps, notre étude a reposé sur la synthèse et la caractérisation de phosphates de calcium, la CDA et le ß-TCP, dopés au gallium. Il a été mis en évidence que l'intégration de gallium modifie la structure de ces matériaux. Dans un deuxième temps, ces phosphates de calcium ont été intégrés dans la composition d'un ciment et l'influence du gallium sur les propriétés physico-chimiques, mécaniques et biologiques du ciment a été étudiée.La deuxième partie de ce mémoire traite de l'amélioration des propriétés texturales et mécaniques des deux ciments phosphocalciques, dénommés TPN et TPC, par l'ajout d'une composante organique, le sang. Pour les deux ciments, le sang a permis d'obtenir une pâte collante. La porosité et les propriétés mécaniques et rhéologiques des deux ciments ne sont pas altérées de la même façon par le sang. Ces systèmes combinés (avec le gallium ou le sang) pourraient répondre aux limites rencontrées dans l'utilisation des ciments phosphocalciques.Bone grafts substitutes are an alternative to autologous bone grafting procedure. Calcium phosphates cements are good candidates as they are biocompatible, osteoconductive, resorbable and injectable. However, their use is limited to healthy bone sites in small non-load bearing cavities. The first part of this thesis aims the development of a combined medical device for the local release of gallium, an osteoclastic inhibitor, in order to reinforce locally osteoporotic bone. This study is based on synthesis and characterization of calcium phosphate, CDA and ß-TCP, doped with gallium. It has been shown that the incorporation of gallium changes the structure of these materials. Then these calcium phoshates have been incorporated into a typical composition of cement and the influence of gallium on physico-chemical, mechanical and biological properties of this cement has been studied. The second part of this thesis deals with the improvement of textural and mechanical properties of two calcium phosphate cements, named TPN and TPC, by adding an organic component: blood. For both cements, the blood has led to the formation of a cohesive, moldable and sticky paste. The porosity and both mechanical and rheological properties of both cements were altered differently by blood addition. These combined systems (with gallium or blood) could address the limitations usually encountered in the use of calcium phosphate cements.NANTES-BU Sciences (441092104) / SudocSudocFranceF