Modeling and characterization of the combined impact of the geometry and the functionalization of the surface of an implantable titanium medical device on its osseointegration

Les travaux abordés dans cette thèse s’articulent autour de l’amélioration des dispositifs médicaux implantables. Celle-ci vise au développement d’un modèle multi-physique de mécano-biologie afin de prédire la reformation osseuse péri-implantaire, et à la réalisation de travaux expérimentaux permettant de caractériser l’impact des propriétés surfaces de l’implant, de l’échelle macroscopique à l’échelle nanoscopique. Sur la base d’une revue de la littérature scientifique, un modèle de mécano-biologie a été proposé, permettant d’étudier l’influence de la géométrie d’un dispositif implantable en titane ainsi que d’évaluer celle de son potentiel traitement de surface sur la reformation osseuse péri-implantaire. Ces simulations ont révélé l’influence de la profondeur de chambre de guérison de l’implant et celle des facteurs de croissance en surface sur l’ostéointégration. Ce modèle a été corroboré par une étude in vitro visant à caractériser l’adsorption de traitements surfaces en fibronectine, et de déterminer la réponse associée de cellules ostéogéniques. Les résultats de cette étude, démontrant notamment une réponse ostéogénique discriminante sur les surfaces de mouillabilité croissante, ont ainsi pu être intégrés au sein du modèle numérique proposé. Une étude in vivo a été réalisée chez la brebis pour valider ce dernier. Les premiers résultats démontrent une tolérance des brebis au protocole chirurgical employé ainsi qu’une reformation osseuse au sein des chambres de guérison des implants. Le travail présenté dans cette thèse construit donc les fondations d’un modèle prédictif qui s’avère être un outil éthique et d’intérêt dans l’analyse multivariée de l’ostéointégration.The work presented in this thesis deals with the improvement of implantable medical devices. It aims to develop a multi-physical model of mechano-biology to predict peri-implant bone healing and to carry out experimental work to characterize the impact of the implant's surface properties, macroscopic scale to nanoscopic scale. On the basis of a review of the scientific literature, a mechano-biology model has been proposed, making it possible to study the influence of the geometry of an implantable device in titanium as well as to evaluate that of its potential treatment of surface on peri-implant bone healing. These simulations revealed the influence of implant healing chamber depth and that of surface growth factors on osseointegration. This model was corroborated by an in vitro study aiming at characterizing the adsorption of fibronectin on surface treatments, and determining the associated response of osteogenic cells. The results of this study, demonstrated a discriminating osteogenic response on surfaces of increasing wettability and were integrated within the proposed numerical model. An in vivo study was carried out in sheep to validate the latter. The first results show a tolerance of the sheep to the surgical protocol used as well as bone healing within the healing chambers of the implants. The work presented in this thesis therefore builds the foundations of a predictive model that turns out to be an ethical and valuable tool in multivariate analysis of osseointegration