Development of an injectable composite for bone regeneration

With the development of minimally invasive surgical techniques, there is a growing interest in the research and development of injectable biomaterials especially for orthopedic applications. In a view to enhance the overall surgery benefits for the patient, the BIOSINJECT project aims at preparing a new generation of mineral-organic composites for bone regeneration exhibiting bioactivity, therapeutic activity and easiness of use to broaden the application domains of the actual bone mineral cements and propose an alternative strategy with regard to their poor resorbability, injectability difficulties and risk of infection. First, a physical-chemical study demonstrated the feasibility of self-setting injectable composites associating calcium carbonate-calcium phosphate cement and polysaccharides (tailor-made or commercial polymer) in the presence or not of an antibacterial agent within the composite formulation. Then, bone cell response and antimicrobial activity of the composite have been evaluated in vitro. Finally, in order to evaluate resorption rate and bone tissue response an animal study has been performed and the histological analysis is still in progress. These multidisciplinary and complementary studies led to promising results in a view of the industrial development of such composite for dental and orthopaedic applications

Etude des réactions physico-chimiques à l'interface liquide physiologique/verre bioactif

rapport Janus 2004, responsable de stage : E. Jallo

Comportement rhéologique de biomatériaux pour l'ingénierie ostéoarticulaire et dentaire : matrices extracellulaires synthétiques et suspensions phosphocalciques

International audienceLes biomatériaux injectables constituent un domaine particulier d'utilisation par voie percutanée des biomatériaux. Cela leur impose certaines propriétés rhéologiques lors de leur mise en œuvre. Au cours de ces travaux, le principal objectif fut d'évaluer les propriétés rhéologiques de deux biomatériaux injectables utilisés en ingénierie ostéoarticulaire et dentaire : (i) une matrice extracellulaire synthétique et (ii) une suspension phosphocalcique injectable. Un hydrogel, hydroxypropylméthylcellulose silanisée (HPMC-Si) a été obtenu par greffage de 3-glycidoxypropyltriméthoxysilane (GPTMS) sur les groupements hydroxyle d'une hydroxypropylméthylcellulose commerciale. Les propriétés rhéologiques de la solution avant et lors de la gélification ont été étudiées. Les résultats ont montré que la silanisation réduit le volume hydrodynamique des solutions diluées, mais n'affecte pas de manière significative le comportement rhéologique des solutions concentrées. Nous avons observé que la stérilisation des solutions d'HPMC-Si réduit le volume hydrodynamique des chaînes macromoléculaires et que l'augmentation du pH des solutions concentrées stériles réduit leur viscosité limite. L'étude de la thermogélification de l'HPMC a montré une séparation de phase durant la stérilisation. Les associations intra- et intermoléculaires, non totalement réversibles, établies lors de cette étape peuvent être responsables des modifications des propriétés rhéologiques. La formation de différents hydrogels à partir des solutions basiques d'HPMC-Si a été étudiée. Grâce à la caractérisation rhéologique de ces hydrogels, nous avons montré que la cinétique de réticulation, ainsi que les propriétés viscoélastiques, dépendent de la concentration finale en HPMC-Si, du pH final et de la température. Une suspension de céramique phosphocalcique injectable considérée comme un substitut osseux injectable prêt à l'emploi a été étudiée. La caractérisation rhéologique de l'HPMC, qui constitue le fluide suspendant de cette suspension, a confirmé le comportement d'une solution macromoléculaire. La cinétique de sédimentation des particules phosphocalciques a montré l'influence de la taille des particules et la concentration du fluide suspendant sur la vitesse de sédimentation et sur la compacité des sédiments avant et après stérilisation. Les propriétés rhéologiques et d'injectabilité de cette suspension phosphocalcique ont ensuite été étudiées. Nous avons montré que les suspensions présentent une viscosité plus élevée par rapport à la solution d'HPMC et que les propriétés rhéologiques dépendent de la composition de la suspension. La simulation d'injection a été réalisée grâce à une seringue munie d'une aiguille. Une approche théorique basée sur l'écoulement capillaire d'un fluide non newtonien a été utilisée pour prédire la pression d'injection à partir des résultats rhéologiques et des conditions opératoires d'extrusion. L'estimation théorique de la pression d'extrusion a confirmé le glissement à la paroi. L'influence du glissement a conduit à un facteur de proportionnalité constant entre la théorie et l'expérience

Développement d’échafaudages à base de mélanges de biopolymères pour la régénération du système nerveux périphérique

Les blessures graves qui touchent le système nerveux périphérique affectent grandement la qualité de vie des individus atteints. Si non traitées, ces blessures résultent en une perte des sensations et une incapacité motrice. Étant donné la capacité limitée du système nerveux périphérique à se régénérer, l’intervention chirurgicale est nécessaire. La greffe nerveuse autologue reste pour l’instant le traitement standard malgré un nombre limité de sites de prélèvement de greffons et une récupération partielle des fonctions nerveuses. Face à ces contraintes, des produits issus du génie tissulaire, appelés conduits nerveux synthétiques, sont présentement l’alternative de choix. Majoritairement à base de collagène, ces constructions (échafaudages) se montrent efficaces pour la régénération des nerfs périphériques sur de courtes distances, mais ont besoin d’améliorations afin d’être considérés pour les réparations de grande taille (> 30mm). Afin de contribuer à leur développement, l’étude présentée ici investigue l’effet de la combinaison de biomatériaux d’intérêt sur les propriétés des échafaudages obtenus. Les travaux de recherche rapportés dans ce mémoire se concentrent donc sur la fabrication et la caractérisation de grands échafaudages (longueur 35 mm, diamètre 5 mm) à base de mélanges de biopolymères (collagène/chitosane) mis en forme grâce à une approche innovante de freeze-casting unidirectionnel utilisant une technologie thermoélectrique. En guise de référence commerciale, des échafaudages de collagène seul ont été utilisés en tant que contrôle vis-à-vis des échafaudages fabriqués de trois ratios collagène/chitosane différents (60/40, 80/20, 90/10). Tous les échafaudages ont été chimiquement réticulés afin d’augmenter leurs performances sous l’effet de contraintes mécaniques et des laminines ont été ajoutées afin d’améliorer l’interaction avec les cellules de Schwann. Les analyses des caractéristiques microstructurales obtenues démontrent des pores lamellaires ayant un rapport de forme moyen de 0,67 ± 0,20 pour toutes compositions ainsi que des microcanaux longitudinaux hautement alignés sur une longueur de plus de 30 mm. Un appareil de traction intégré à un incubateur a permis d’évaluer les propriétés mécaniques des échafaudages dans un environnement recréant les conditions physiologiques (37°C, pH = 7.4). Les traitements de réticulation ont mené à de meilleures propriétés mécaniques sous traction. Des essais de viabilité cellulaire utilisant des cellules de Schwann dérivées du nerf sciatique de rat (S16) ont été conduits afin d’évaluer la cytocompatibilité des échafaudages. L’introduction de laminines via adsorption sur les échafaudages augmente la cytocompatibilité. Selon les données, les échafaudages fabriqués à partir d’un mélange collagène/chitosane à haute teneur en collagène (80/20, 90/10) démontrent les meilleures propriétés mécaniques et cytocompatibilité. Ensemble, ces résultats confirment que l’utilisation du freeze-casting unidirectionnel utilisant une technologie thermoélectrique est une approche de mise en forme valide pour l’obtention d’échafaudages de grande taille, contenant des micro-canaux hautement alignés

Compositions et propriétés de nouveaux ciments biomédicaux à base de carbonate de calcium

Les ciments ioniques sont une voie d’avenir des biomatériaux de substitution osseuse et dentaire. Des compositions originales de ciments biorésorbables et biocompatibles incluant une proportion importante de carbonate de calcium synthétique (de 40 % à 100 % de CaCO3 dans le mélange de poudres initial) éventuellement associé à un phosphate de calcium métastable ont été mises au point dans la perspective de répondre à un besoin de ciments biomédicaux aux propriétés de résorption accrues. Elles constituent une gamme étendue de compositions finales de ciments microporeux (de 100 % CaCO3 à 100 % apatite nanocristalline carbonatée) offrant la possibilité d’adapter la composition du ciment à l’application visée. La diffraction des RX et la spectroscopie infrarouge apparaissent comme des techniques de caractérisation complémentaires pour l’étude de ces nouveaux types de ciments

Calcium carbonate-calcium phosphate mixed cement compositions for bone reconstruction

The feasibility of making calcium carbonate-calcium phosphate (CaCO3-CaP) mixed cements, comprising at least 40 % (w/w) CaCO3 in the dry powder ingredients, has been demonstrated. Several original cement compositions were obtained by mixing metastable crystalline calcium carbonate phases with metastable amorphous or crystalline calcium phosphate powders in aqueous medium. The cements set within at most 1 hour at 37°C in atmosphere saturated with water. The hardened cement is microporous and exhibits weak compressive strength. The setting reaction appeared to be essentially related to the formation of a highly carbonated nanocrystalline apatite phase by reaction of the mestastable CaP phase with part or almost all of the metastable CaCO3 phase. The recrystallization of metastable CaP varieties led to a final cement consisting of a highly carbonated poorly crystalline apatite (PCA) analogous to bone mineral associated with various amounts of vaterite and/or aragonite. The presence of controlled amounts of CaCO3 with a higher solubility than the apatite formed in the well-developed calcium phosphate cements might be of interest to increase resorption rates in biomedical cement and favor its replacement by bone tissue. Cytotoxicity testing revealed excellent cytocompatibility of CaCO3-CaP mixed cement compositions

Control of the injectability of calcium carbonate-calcium phosphate mixed cements for bone reconstruction

The purpose of this study was to improve injectability and cohesiveness of original calcium carbonate-calcium phosphate mixed (CaCO3-CaP) self-setting paste for bone filling and repair. With this aim in view dry co-grinding was implemented on the solid phase (vaterite and dicalcium phosphate dihydrate) of this cement. A protocol designed to quantify paste injectability has been established and pointed out the synergistic positive effects of solid phase co-grinding treatment on injectability, cohesiveness and setting time of the paste. The improvement of these properties are related to close and homogeneous association of reactive powders and to the decrease of specific surface area favoring the powders hydration process enhancing setting reaction rate. In addition, the particle size decrease and morphology modification improved flowability of the paste which results in a low and constant (320 g) force level to extrude the paste

New calcium carbonate-based cements for bone reconstruction

The feasibility of calcium carbonate-based cements involving the re-crystallization of metastable calcium carbonate varieties has been demonstrated. Two cement compositions were obtained by mixing either calcium carbonate phases (cement A) or a calcium carbonate and a calcium phosphate phase (cement B) with an aqueous media. These cements set and hardened after 30 minutes and 90 minutes respectively. The final composition of cement A was calcite and aragonite whereas cement B lead to a carbonated apatite analogous to bone mineral. Despite poor mechanical properties the presence of a high carbonate content in the final phase might be of interest to increase the cement resorption rate and to favour its replacement by bone tissue. First assays of implantation performed on fresh anatomical pieces (fresh cadavers) at 37°C revealed important advantages of such cement compositions: easiness of use, rapid setting, good adhesion to bone, very good homogeneity and stability of the cement

Preparation, physical-chemical characterisation and cytocompatibility of calcium carbonate cements

The feasibility of calcium carbonate cements involving the recrystallisation of metastable calcium carbonate varieties has been demonstrated. Calcium carbonate cement compositions presented in this paper can be prepared straightforwardly by simply mixing water (liquid phase) with two calcium carbonate phases (solid phase) which can be easily obtained by precipitation. An original cement composition was obtained by mixing amorphous calcium carbonate and vaterite with an aqueous medium. The cement set and hardened within 2 hours at 37°C in an atmosphere saturated with water and the final composition of the cement consisted mostly of aragonite. The hardened cement was microporous and showed poor mechanical properties. Cytotoxicity tests revealed excellent cytocompatibility of calcium carbonate cement compositions. Calcium carbonates with a higher solubility than the marketed calcium phosphate cements might be of interest to increase biomedical cement resorption rates and to favour its replacement by bone tissue

White Organic Light-Emitting Diodes with fine chromaticity tuning via ultrathin layer position shifting

Non-doped white organic light-emitting diodes using an ultrathin yellow-emitting layer of rubrene (5,6,11,12-tetraphenylnaphtacene) inserted on either side of the interface between a hole-transporting NPB (4,4'-bis[N-(1-naphtyl)-N-phenylamino]biphenyl) layer and a blue-emitting DPVBi (4,4'-bis(2,2'-diphenylvinyl)-1,1'-biphenyl) layer are described. Both the thickness and the position of the rubrene layer allow fine chromaticity tuning from deep-blue to pure-yellow via bright-white with CIE coordinates (x= 0.33, y= 0.32), a external quantum efficiency of 1.9%, and a color rendering index of 70. Such a structure also provides an accurate sensing tool to measure the exciton diffusion length in both DPVBi and NPB (8.7 and 4.9 nm respectively)