Doping and shaping of apatitic bioceramics for applications in bone tissue engineering

Les solutions de greffes osseuses actuelles sont limitées en termes de quantité et de qualité c’est pourquoi l’utilisation de substituts osseux synthétiques est en développement. La gestion du risque d’infection lors de l’implantation d’un biomatériau est primordiale, d’autant plus avec la propagation de l’antibiorésistance qui représente un problème majeur de santé publique. C’est dans ce contexte que s’inscrit ce travail. Pour cela des biocéramiques de phosphates de calcium biphasiques (BCP), qui sont des substituts osseux de choix du fait de leur forte similarité chimique avec la partie minérale de l’os et de leur biocompatibilité, ont été synthétisées par voie sol-gel et par précipitation en voie aqueuse. Une de leur particularité est de pouvoir accepter des substitutions ioniques dans leur composition, c’est pourquoi des dopages aux ions cuivre ont été réalisés, ainsi qu’à l’argent et à l’or afin d’étudier les mécanismes d’incorporation de ces ions dans les BCP. Ces 3 éléments métalliques ont été choisis pour leur propriétés antibactériennes très intéressantes dans le contexte de cette étude. Les BCP dopés au cuivre, sous forme de poudres (synthèse sol-gel) et de pastilles (synthèse par précipitation en voie aqueuse), ont été étudiés afin de s’assurer de leur biocompatibilité envers des cellules souches mésenchymateuses humaines. Ensuite les propriétés antibactériennes de ces matériaux ont été évaluées sur des souches d’intérêts cliniques : S. aureus, S. aureus résistant à la méthicilline, E. coli et P. aeruginosa. Ce travail a permis de mettre en évidence différents mécanismes d’incorporation des ions avec notamment la présence de nanoparticules métalliques pour les dopages à l’argent et à l’or.Pour les BCP dopés au cuivre les paramètres de synthèse des matériaux (températures de recuit et taux de dopage) influencent la composition biphasique des matériaux et le taux de relargage du cuivre. Les poudres obtenues par voie sol-gel et les pastilles synthétisées par précipitation en voie aqueuse ne présentent aucune cytotoxicité envers les cellules osseuses humaines après plusieurs jours de culture. Les poudres de BCP dopées au cuivre ont démontré des propriétés antibactériennes après 24h de culture envers S. aureus, S. aureus résistant à la méthicilline, et E. coli et les pastilles de BCP dopées au cuivre ont montré une activité antibactérienne envers les 4 souches testées.Current bone grafting solutions are limited in terms of quantity and quality, that is why the useof synthetic bone substitutes is on development. Managing the risk of infection during theimplantation of a biomaterial is essential, especially with the spread of antibiotic resistance,which represents a major public health problem. It is in this context that this work takes place.For this, bioceramics of biphasic calcium phosphates (BCP), which are bone substitutes ofchoice because of their strong chemical similarity with the mineral part of the bone and theirbiocompatibility, were synthesized by the sol-gel route and by aqueous precipitation. One oftheir particularity is that they can accept ionic substitutions in their composition, which is whydoping with copper ions was carried out, as well as with silver and gold in order to study themechanisms of incorporation of these ions in BCPs. These 3 metallic elements were chosenfor their very interesting antibacterial properties in the context of this study. Copper-dopedBCPs, in the form of powders (sol-gel synthesis) and disks (synthesis by aqueousprecipitation), have been studied to ensure their biocompatibility with human mesenchymalstem cells. Then the antibacterial properties of these materials were evaluated on strains ofclinical interest: S. aureus, methicillin resistant S. aureus, E. coli and P. aeruginosa.This work allowed highlighting different mechanisms of ions incorporation, in particular with thepresence of metallic nanoparticles for doping with silver and gold. For copper-doped BCPs,the material synthesis parameters (annealing temperatures and doping rate) influence thebiphasic composition of the materials and the copper release rate. The powders obtained bythe sol-gel route and the disks synthesized by aqueous precipitation do not exhibit anycytotoxicity towards human bone cells after several days of culture. The copper-doped BCPpowders demonstrated antibacterial properties after 24 hours of culture against S. aureus, S.aureus resistant to methicillin, and E. coli and the copper-doped BCP disks showedantibacterial activity against the 4 strains tested