Caractérisation physico-chimique, au niveau nanométrique, des surfaces de biomatériaux utilisés pour la délivrance de médicaments et pour la croissance osseuse

Le développement de la nanotechnologie pour la délivrance de médicament a connu une croissance exponentielle au cours des dernières décennies. Les biomatériaux utilisés, en particulier les nanoparticules, suscitent un engouement particulier de chercheurs venant de plusieurs domaines de science, comme les chimistes, les biologistes, les ingénieurs, etc. Le point commun parmi toutes ces expertises est le besoin de minimiser les problèmes de toxicité de ces biomatériaux. Même si la littérature montre présentement une faible toxicité des nanoparticules, les résultats non satisfaisants sont encore liés aux processus de la synthèse et de la fonctionnalisation. Il faut préciser que la principale différence entre un biomatériau et un autre matériau utilisé en génie est son potentiel d'interagir avec un organisme vivant, sans cause préjudicielle. Ce potentiel de biocompatibilité d'un biomatériau dépend de plusieurs paramètres, comme la composition de la surface, la taille, la forme, la charge, etc. La littérature montre divers méthodes, avec des équipements à la fine pointe, pour caractériser chacun de ces paramètres. Cependant, il est important de faire distinction entre la composition physicochimique d'un biomatériau et la composition physicochimique de sa surface, surtout à l'échelle nanométrique, car c'est au niveau des premières couches d'atomes que toutes les réactions d'interaction biomatériau / cellules se produisent. Cela veut dire que la composition physicochimique de la nano-surface joue un rôle majeur dans le contrôle de la biocompatibilité. Notamment, dans le cas de nanoparticules, l'adsorption de biomolécules et de protéines à la surface (effet couronne) a apporté de nouvelles questions à l'étude de la nanotoxicologie. L'objectif général de cette thèse est d'étudier les nano-surfaces de biomatériaux de taille nano- et micrométrique, qui sont utilisées pour la délivrance de médicaments. Dans le cadre de ce projet, nous avons axé nos recherches sur trois types de biomatériaux : nanoparticules superparamagnétiques, microsphères polymériques de chitosane et microparticules de biocéramiques hyydroxyapatite, phosphate tricalcique beta et phosphate de calcium biphasique.

Abstract

The development of nanotechnology for drug delivery has seen an exponential growth in recent decades. The biomaterials used, in particular nanoparticles, are studied by researchers from various scientific fields, such as chemists, biologists, engineers, etc. The common aim of all these expertise working together is the need to minimize the problems of toxicity of these biomaterials. Although the literature shows a low toxic potential of nanoparticles, no satisfactory results, when found, are due to problems in the processes of synthesis and functionalization. It is important to notice that the main difference between a biomaterial and other material used in engineering is its potential to interact with living organisms, without causing injury. This potential biocompatibility depends on several parameters, such as surface composition, size, shape, charge, etc. The literature discusses various methods, using advanced equipment, to characterize each of these parameters. However, it is important to make a distinction between the physicochemical composition of a biomaterial and the physicochemical composition of its surface, especially at the nanometer scale, because it is in the first layers of atoms that all interactions between biomaterials and cells will occur. This means that the physicochemical composition of the nanosurface plays a major role in controlling biocompatibility. Particularly in the case of nanoparticles, biomolecule and protein adsorption onto the surface (corona effect) brought new issues to the study of nanotoxicology. The overall objective of this thesis is to study the nanosurface of biomaterials having nano- or- micrometric dimensions, which are used for drug delivery. In this project we focused our research on three types of biomaterials: superparamagnetic nanoparticles, polymeric microspheres of chitosan and microparticles of bioceramics including hydroxyapatite, beta tricalcium phosphate and biphasic calcium phosphate.