Élaboration et caractérisation de biomatériaux osseux innovants à base d'apatites phospho ...

400 Pages·2013·7.7 MB·French

by  Vandecandelaère, Nicolas

En vue de l’obtention du
DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE
Délivré par :
Institut National Polytechnique de Toulouse (INP Toulouse)
Discipline ou spécialité :
Science et Génie des Matériaux
Présentée et soutenue par :
Nicolas VANDECANDELAERE
le : jeudi 8 Novembre 2012
Titre :
Élaboration et caractérisation de biomatériaux osseux
innovants à base d’apatites phospho-calciques dopées
Ecole doctorale :
Sciences de la matière (SDM)
Unité de recherche :
Institut Carnot CIRIMAT – UMR CNRS 5085 – Toulouse
Directeur(s) de Thèse :
Christophe DROUET, Chargé de Recherche CNRS (HDR), Université de Toulouse Christian
REY, Professeur, Université de Toulouse
Rapporteurs :
Jean-Christophe HORNEZ, Maître de Conférences (HDR), Université de Valenciennes Hubert
MUTIN, Directeur de Recherche CNRS, Université de Montpellier II
Membre(s) du jury :
Nadia BENKIRANE-JESSEL, Directrice de Recherche INSERM, Fac. Médecine Strasbourg
Christine ROQUES, Professeur, Université de Toulouse

À mes parents.
« Il faut avouer que ce monde est une étrange chose »

Candide, Voltaire
Remerciements

Les travaux de thèse présentés dans ce manuscrit ont été réalisés dans le cadre du
projet inter-Carnot-Fraunhofer « Biocapabili », lesquels ont été financés par l’Agence
Nationale de la Recherche (ANR), que je remercie d’avoir donné vie à ce projet et de
m’avoir permis d’effectuer ces recherches dans les meilleures conditions.
La grande majorité des expérimentations et des résultats reportés dans les pages qui
suivent ont été obtenus au sein de l’Institut Carnot CIRIMAT à Toulouse. Je tiens donc à
remercier son directeur, le Dr Francis Maury, de m’avoir accueilli dans son laboratoire et
permis de réaliser mes travaux de thèse.
Un merci tout particulier revient également à l’équipe PPB, « Phosphates,
Pharmacotechnie et Biomatériaux », et sa directrice, le Pr Christèle Combes. J’y ai reçu un
accueil formidable et chaleureux dans un environnement propice à l’épanouissement
scientifique et personnel.

Avant de remercier chaque personne que j’ai rencontrée et qui m’ont aidé, chacune à
leur façon au cours de ces 3 années et qui m’ont permis d’avoir mené à bien ces travaux, je
souhaite en premier lieu témoigner de ma gratitude envers mes 2 directeurs de thèse, le Dr
Christophe Drouet et le Pr Christian Rey.
Christophe, merci de m’avoir offert l’opportunité de travailler avec vous sur ce projet et ce
dans des conditions idéales. Vous avez toujours été présent et de bon conseil malgré mes
doutes, tant d’un point de vue scientifique que humain. Votre gentillesse, votre patience,
votre réactivité et votre verve m’ont toujours rendu admiratif.
Christian, j’ai énormément apprécié les échanges que nous avons eus, que ce soit au
laboratoire ou à la cantine, quelque soit le sujet, ils étaient systématiquement passionnants
et ils m’ont été d’un grand soutien. Grâce à votre amabilité et vos connaissances, j’ai passé
de très agréables moments à vos côtés. Quoi que vous en pensiez, ce travail vous doit
également beaucoup.
J’ai beaucoup appris grâce à vous 2, chacun à votre manière, j’ai éprouvé un plaisir immense
à travailler, à apprendre et à évoluer à vos côtés. On peut difficilement espérer réaliser une
thèse dans de meilleures conditions.
Mes remerciements s’adressent ensuite à mes différents membres de jury qui ont eu
l’amabilité de juger mon travail :
Le Pr. Christine Roques, de la Faculté de pharmacie de Toulouse au département de
bactériologie-virologie, pour m’avoir fait l’honneur de présider ce jury et pour ses conseils
avisés sur le sujet.
Le Pr. Hubert Mutin, directeur de recherche à l’Université de Montpellier, et le Dr. Jean-
Christophe Hornez, maitre de conférence à l’Université de Valenciennes, pour avoir eu le
courage de rapporté ce « volumineux » manuscrit et pour leur intérêt des problématiques
soulevées dans ces travaux.
Et le Dr. Nadia Benkirane-Jessel, directrice de recherche INSERM à la Faculté de
médecine de Strasbourg, d’avoir accepté de participer à ce jury et d’avoir apporté sa
contribution à cette étude.

L’aboutissement de ces travaux doit aussi énormément à un certain nombre de
personnes qui ont collaboré avec moi au projet et qui ont contribué à sa réussite :
- Toute l’équipe allemande de l’intitut Fraunhofer IGB de Stuttgart, à savoir les Dr Iris
Trick, Dr Michaella Müller et Dr Anke Burger-Kentischer mais également Tanjia,
Christina et Georg. Merci pour votre implication sur le projet, vos travaux, votre
expertise et votre joie de vivre. Ich danke Ihnen sehr.
- Françoise, Oriana et Julien, je vous remercie de votre contribution à ces travaux et
de l’aide que vous m’avez apporté au laboratoire, une partie de ce qui est présenté
dans ce manuscrit vous est due.
- Gérard, pour ces longues matinées et après-midi passées ensemble à faire
d’innombrables pastilles et à papoter, merci.
- Le Pr Pierre Jurdic et Chantal Daumenget. Le séjour passé à l’IGFL de Lyon fut des
plus instructifs. Merci pour votre accueil, pour notre initiation au monde des
ostéoclastes et pour votre gentillesse.
- Mes remerciements s’adressent également à Fabien pour son implication au niveau
des tests de libération, Abdel au niveau de la chromatographie cationique, Olivier et
Cédric pour les nombreuses fois où j’ai débarqué dans votre bureau pour vous poser
des questions, Véronique Santran de la société ICELLTIS de nous avoir permis la
stérilisation nos échantillons et Jérôme pour ses analyses XPS.
Je tiens également à adresser mes plus vifs remerciement aux autres membres (anciens
et actuels) de l’équipe PPB : Anne-Marie, Audrey, Christèle, David, Farid, Ghislaine,
Hélène, Jean-Louis, Jérémy, Michelle, Sandrine, les Sophie, Stéphanie, pour leur aide,
leur soutient, leur disponibilité et les bons moments que nous avons passé ensemble.
Ces 3 ans de laboratoire dans l’équipe m’ont permis de côtoyer bon nombre de
doctorants avec lesquels j’ai sympathisé et collaboré : Ahmed, Anne, Emmanuelle, Imane,
Marie-Alix, Pierre, Sabrina, Solène et Sylvaine. J’ai passé grâce à vous de très belles
années à Toulouse et je repars dans le « Grand Nord » avec des souvenirs inestimables.
J’attribuerais tout de même une mention spéciale pour Patricia et son Doudou pour avoir
été présents à chaque fois que nous en avions besoin, pour votre gentillesse, votre amitié,
vos gâteaux (il faut l’avouer !),.. Je ne vous remercierais jamais assez.
Enfin, Aneesha et Dymitro, mes compagnons de bureau, je tiens à vous exprimer ma
gratitude pour ce temps passé en votre compagnie.
Une petite pensée pour Domi et Jannie qui, de manière plus discrète, ont également
participé à la réussite de ces travaux.

Pour terminer cette session remerciement, j’aimerais adresser toute ma
reconnaissance à mes proches :
Je souhaite tout d’abord remercier ma belle famille pour leur soutient et pour m’avoir
permis d’emmener leur fille si loin d’eux. Un merci particulier revient également à Jacques,
sans qui la rédaction de ce manuscrit n’aurait pas été pareille.
Je remercie de tout mon cœur Flouflou, Maurice et Nuguette qui m’ont accompagné
tout au long de cette épreuve, qui ont toujours été présents à mes côtés, je vous en serais
reconnaissant à jamais, je vous dois beaucoup.
Enfin, tout ce travail n’aurait pu aboutir sans ma famille : Gawell, mes grands-
parents, mes tantes/oncles et cousines/cousins, merci à tous.
Mais plus que tout, j’ai à cœur d’adresser mes plus profonds sentiments à mes parents sans
qui je n’aurais jamais pu en arriver là. Je vous dois tout, je vous aime et je vous remercie
infiniment, bien qu’aucun mot ne puisse exprimer ce que je ressens pour vous.
Sommaire
Introduction générale .......................................................... 1

Chapitre I : Revue bibliographique ..................................... 4

I.1. Le tissu osseux ....................................................................... 5

I.1.1. Ostéologie ........................................................................................... 5
I.1.1.1. Squelette et rôle des os ..................................................................................... 5
I.1.1.2. Morphologie des os ........................................................................................... 7
I.1.2. Composition des os ............................................................................. 9
I.1.2.1. Nature chimique ................................................................................................ 9
I.1.2.1.1. Partie organique ...................................................................................................................... 9
I.1.2.1.2. Partie minérale ...................................................................................................................... 10
I.1.2.2. Les cellules osseuses ..................................................................................... 12
I.1.3. Remodelage osseux .......................................................................... 14
I.1.3.1. Le remodelage et son rôle ............................................................................... 14
I.1.3.2. La balance osseuse et sa régulation ............................................................... 15
I.1.3.3. Les BMU et les étapes du remodelage ........................................................... 17
I.1.4. Réparation osseuse .......................................................................... 20
I.1.4.1. Les étapes de la régulation osseuse ............................................................... 20
I.1.4.2. Cas des défauts de taille critique ..................................................................... 23
I.2. Matériaux de substitution osseuse ....................................... 24

I.2.1. Caractéristiques d’un substitut osseux .............................................. 24
I.2.1.1. Biocompatibilité ............................................................................................... 25
I.2.1.2. Bioactivité/Ostéointégration ............................................................................. 25
I.2.1.3. Non toxicité ...................................................................................................... 26
I.2.1.4. Stabilité/Résistance mécanique ...................................................................... 27
I.2.1.5. Ostéoconduction/Ostéoinduction/Ostéogénicité .............................................. 27
I.2.1.6. Porosité ........................................................................................................... 28
I.2.1.7. Résorbabilité ................................................................................................... 29
I.2.1.8. Industrialisation ............................................................................................... 29
I.2.2. Les autogreffes et allogreffes ............................................................ 30
I.2.3. Les polymères ................................................................................... 31
I.2.3.1. Les polymères naturels ................................................................................... 31
I.2.3.2. Les polymères synthétiques ............................................................................ 31
I.2.4. Les métaux ........................................................................................ 33
I.2.5. Les céramiques ................................................................................. 35
I.2.5.1. Les céramiques bio-inertes ............................................................................. 35
I.2.5.2. Les céramiques et les bioverres bioactifs ........................................................ 36
I.2.5.3. La cas particulier des phosphates de calcium ................................................. 39
I.2.5.4. L’hydroxyapatite et les apatites nanocristallines .............................................. 42
I.3. Chirurgie osseuse et infections post-opératoires ............... 47

I.3.1. La chirurgie osseuse et les infections associées aux soins ............... 47
I.3.2. Les micro-organismes ....................................................................... 49
I.3.2.1. Généralités sur les bactéries ........................................................................... 49
I.3.2.2. Les micro-organismes en lien avec les infections nosocomiales..................... 52
I.3.3. Les problématiques de l’infection ...................................................... 55
I.3.3.1. La course à la surface ..................................................................................... 55
I.3.3.2. Adhésion bactérienne et formation de biofilm.................................................. 57
I.3.4. Les biomatériaux antibactériens ........................................................ 60
I.3.4.1. Modifications de surface .................................................................................. 60
I.3.4.2. Imprégnation d’antibiotiques............................................................................ 61
I.3.4.3. La voie ionique et des petites molécules ......................................................... 63
I.4. Les objectifs de ce travail ...................................................... 66