Dextran-based coatings for medical applications

L’ingénierie des biomatériaux a connu un essor prodigieux ces dernières décennies passant de matériaux simples à des structures plus complexes, particulièrement dans le domaine cardiovasculaire. Cette évolution découle de la nécessité des biomatériaux de permettre la synergie de différentes propriétés, dépendantes de leurs fonctions, qui ne sont pas forcément toutes compatibles. Historiquement, les premiers matériaux utilisés dans la conception de dispositifs médicaux étaient ceux présentant le meilleur compromis entre les propriétés physico-chimiques, mécaniques et biologiques que nécessitait leur application. Cependant, il se peut que le dispositif possède les bonnes propriétés physico-chimiques ou mécaniques, mais que sa biocompatibilité soit insuffisante induisant ainsi des complications cliniques. Afin d’améliorer ces propriétés biologiques tout en conservant les propriétés de volume du matériau, une solution est d’en modifier la surface. L’utilisation d’un revêtement permet alors de moduler la réponse biologique à l’interface biomatériau-hôte et de diminuer les effets indésirables. Ces revêtements sont optimisés selon deux critères principaux : la réponse biologique et la réponse mécanique. Pour la réponse biologique, les deux approches principales sont de mettre au point des revêtements proactifs qui engendrent l’adhérence, laprolifération ou la migration cellulaire, ou passifs, qui, principalement, sont inertes et empêchent l’adhérence de composés biologiques. Des revêtements plus complexes utilisent les deux approches permettant l’adhérence spécifique de certainescellules tout en empêchant l’adhérence d’autres composants biologiques. Cette pratique est très utile pour lutter contre la resténose, complication survenant après opération de l’athérosclérose qui obstrue les vaisseaux sanguins. Une pratique courante est la pose d’un stent qui permet d’ouvrir l’artère de nouveau et de rétablir le flux sanguin. Le phénomène de resténose obstrue de nouveau le vaisseau sanguin, majoritairement par la prolifération incontrôlée de cellules musculaires lisses. La recherche sur les revêtements contre la resténose vise à inhiber la prolifération de ces cellules tout en facilitant la ré-endothélialisation. Les revêtements permettraient alors, à la fois de favoriser l’adhérence et la prolifération de cellules endothéliales et de limiter celles des cellules musculaires lisses à la surface du stent ou en limitant toute adhérence non-spécifique. Il a été démontré lors d’études précédentes qu’un copolymère à base de dextrane et de poly(méthacrylate debutyle) (PBMA) répondait à ces critères biologiques et qu’il possédait en plus une bonne résistance à la déformation, paramètre important lié à la déformation induite lors de l’implantation d’un stent. L’approche de ce projet était d’utiliser ce copolymère comme revêtement de stent et d’en améliorer la stabilité à long terme en formant des liens covalents avec le substrat. Pour ce faire, cela nécessitait l’activation de la partie dextrane du copolymère afin de pouvoir le greffer au substrat. Il était important de vérifier pour chaque étape l’influence des modifications effectuées sur les propriétés biologiques et mécaniques des matériaux obtenus, mais aussi d’un point de vue de la chimie, l’influence que cette modification pouvait induire sur la réaction decopolymérisation....The last decades have witnessed the remarkable growth of biomaterial science and engineering field, especiallyfor cardiovascular applications, for which devices have evolved from simple material to complex structures.This development has stemmed from the necessity for biomaterials to exhibit different properties, related totheir function, which are not always inherently compatible. Historically, the first materials selected for medicaldevices conception were the ones exhibiting the best compromise between all the physicochemical, mechanicaland biological requirements. Nevertheless, while physicochemical and mechanical properties are often handilycombined, the development of materials which also possess suitable biological properties have proved to bemuch more challenging, leading to clinical complications.Surface modification represents a valid solution to improve the biological performances of medical deviceswhile maintaining the bulk properties of the material. Biomaterial coatings may modulate the biologicalresponse at the biomaterial-host interface and decreases the undesirable effects. Coatings have been optimizedin regards to two main aspects: the biological response and the mechanical response. For the biologicalresponse, the two main approaches consist in 1) inducing cell adhesion, proliferation or migration with proactivecoatings and 2) using inert material, mostly, and avoiding the adhesion of any biological componentswith passive coatings.More complex coatings include the two approaches, allowing the adhesion of a specific type of cell whilerepelling other biological components adhesion. This method has been very useful against the restenosisphenomenon which obstructs blood vessels. A common practice is vessel stenting, a procedure that enables thereopening of the vessel and the restoration of the blood flow. Restenosis causes the new narrowing of the vessel,mostly due to uncontrolled smooth muscle cell proliferation. Researchers looked for coatings capable oflimiting the restenosis occurrence by inhibiting this cell proliferation along with facilitating the reendothelialization.Thus, the coatings would be able to improve endothelial cells adhesion and proliferation andto inhibit smooth muscle cells ones as well as avoiding non-specific adhesion.Previous studies showed that a copolymer made of dextran and poly(butyl methacrylate) (PBMA) demonstratedsuch biological properties and a good resistance to deformation, which is an important parameter related to thedeformation implied in a stent implantation. In this work, the approach was to use this copolymer as a stentcoating and to increase its long-term stability by providing covalent bonds with the substrate. To do so, thedextran part of the copolymer firstly needed to be activated in order to be grafted to the surface. Thus, it wasimportant to ascertain the influence of the multiple modifications on the biological and mechanical propertiesof the resulting materials at each step, but also towards a chemical point of view, the influence that thesemodifications may have on the subsequent copolymerization