Processing and characterization of click-functionalized electrospun nano-fibers toward tissue engineering applications

Le procédé d’électro-filage est devenu une technique privilégiée pour la préparation des matériaux nano-fibreux, grâce à sa simplicité de mise en oeuvre, la polyvalence des matières premières utilisées, ainsi que la diversité des structures obtenues. Sa capacité à produire des réseaux fibrillaires, proches de ceux du vivant ont ouvert la voie à d’importantes applications en ingénierie tissulaire. Cette étude a porté sur i) l'élaboration de nano-fibres à base de biopolymères commerciaux par un procédé d’électro-filage, pour des applications en ingénierie tissulaire, ii) leur fonctionnalisation et, iii) l’étude par SANS de la stabilité des chaînes de polymères constituant ces fibres. La stabilité d’un polymère est un facteur important pour la dégradation contrôlée dans les systèmes biologiques. Des études de la stabilité de polystyrène, utilisé ici comme un modèle simple, dans le milieu confiné des nanofibres, ont été élaborés avec la technique de diffusion de neutrons aux petits angles. L’investigation de la conformation des chaînes de polymère dans les nanofibres montre une anisotropie remarquable, en suggérant une forte déformation des chaînes dans la direction axiale des fibres d’au cours de procédé d’électro-filage. La dynamique de relaxation des chaînes a permis d’évaluer leur stabilité et vieillissement dans le milieu confiné des nanofibres. Des fibres biocompatibles à base de poly(-caprolactone) (PCL) ont été électro-filées et optimisées pour obtenir des matériaux nano-structurés et fonctionnalisés en vue d’applications biomédicales. L’introduction par chimie click azide-alcyne de groupes saccharidiques dans le coeur ou en surface des fibres de PCL a été réalisée très efficacement selon deux approches distinctes avant ou après électro-filage. Les caractérisations physico-chimiques et biologiques réalisées sur les différents systèmes ont notamment permis de mettre en évidence la biodisponibilité des sucres à la surface des fibres ainsi que leur capacité à rendre la PCL hydrophile. Ces résultats attestent du potentiel de la chimie click à permettre la fonctionnalisation de fibres de polyesters sans altération de leur structure ouvrant ainsi d’importantes perspectives dans le domaine de l’ingénierie tissulaire.Electrospinning process has become a leading technique for producing nano-fibrous scaffolds that are highly porous, lighter, and with superior mechanical properties than their bulk equivalents. Structural properties of electrospun fibers closely resemble to the connective cell tissue, making these nonwovens readily employed in medicine and pharmacy. The research study of this thesis focused on bridging the commercially available biopolymers with the tissue engineering applications through multifunctional aspects of carbohydrates and click chemistry coupling. Biocompatible fibers were electrospun from poly(-caprolactone) and further optimized into clickable azido-PCL scaffolds. Their surface-activity was visualized after click coupling of a fluorescent dye onto PCL-based electrospun fibers, while hydrophilicity and bioactivity were achieved by covalent bonding of carbohydrates, enabling specific cell adhesion possibilities of these nonwovens. Selective lectin surface-immobilization revealed the potential of these scaffolds for specific protein adhesion and therefore controlled cell-material interactions. Polymer stability is an important factor for controlled degradation in tissue engineering applications. Small angle neutron scattering studies were carried out to estimate the stability of polystyrene as a model-polymer, its chain conformation in as-spun and thermally annealed electrospun fibers. Notable anisotropy of polymeric chains within the fibers was observed. The terminal relaxation time of the polystyrene was estimated and compared to the theoretical value