Couches minces organiques riches en amines primaires par photo-polymérisation ultraviolette : caractérisation et applications biomédicales

Les biomatériaux ont grandement évolué au cours des dernières décennies. Il existe maintenant plusieurs types de biomatériaux polymériques possédant des caractéristiques physiques et mécaniques adaptées à différentes applications, mais dont la biocompatibilité doit être optimisée. Ce projet se concentre sur l'amélioration des propriétés physico-chimiques de la surface de ces matériaux en y incorporant des amines primaires (R-NH2), un groupement fonctionnel reconnu pour favoriser l'adhésion et la croissance cellulaire, et ce, dans le cadre de deux applications biomédicales. Tout d'abord, on cherche à développer une surface de culture cellulaire permettant l'adhésion des monocytes U937. Ces cellules sont utilisées pour étudier l'effet des particules d'usure des prothèses de hanche dans le cadre de l'ostéolyse périprothétique, une des causes majeures de défaillance de ces prothèses. De plus, une des stratégies employées pour améliorer le taux de succès des prothèses vasculaires polymériques est la création d'une couche de cellules endothéliales sur la paroi interne de la prothèse. Pour ce faire, l'obtention d'une surface améliorant l'adhésion et la croissance des cellules endothéliales de veine ombilicale humaine (HUVEC) est nécessaire. Des études antérieures ont démontré que l'ajout de groupements R-NH2 sur la surface de culture permet l'adhésion des monocytes U937, selon une concentration critique [NH2]crit, et améliore la prolifération des HUVEC. Le dépôt de couches minces organiques par photo-polymérisation ultraviolette permet d'ajouter un revêtement riche en groupements R-NH2, nommé UV-PE:N, sur un substrat. Le dépôt chimique en phase vapeur permet également de déposer une couche mince de parylène diX AM riche en R-NH2. La stabilité physico-chimique de ces revêtements dans l'air et dans l'eau, essentielle pour les applications biomédicales, a tout d'abord été étudiée, en mesurant la perte d'épaisseur et la variation de la composition chimique de la surface, en particulier celle des amines primaires. Le vieillissement subit par le parylène diX AM en contact avec l'air ambiant est responsable d'une diminution de [NH2]/[C] d'environ 6 % sur 22 jours et est seulement causé par l'oxydation des groupements R-NH2, tandis que dans le cas des deux types d'UV-PE:N [NH2]/[C] diminue de seulement 2,5 % sur 26 jours et un deuxième mécanisme est présent, soit la réaction des radicaux présents dans la surface avec cet oxygène, qu'il soit dans l'air ou dissout dans l'eau. L'UV-PE:N présente une insolubilité, malgré une haute concentration en azote, et une

Abstract

Biomaterials have evolved significantly over the past decades. There are now several types of polymeric biomaterials with physical characteristics suited to different applications. This project focuses on improving the physico-chemical properties of the surface of these materials by incorporating primary amines (R-NH2), a functional group known to promote adhesion and cell growth, in the context of two biomedical applications. First, it is necessary to develop a cell culture surface that enables the adhesion of U937 monocytes. These cells are used to evaluate the effect of wear particles produced by the prosthesis in periprosthetic osteolysis, a major cause of failure of a hip replacement. Second, one of the strategies used to improve the success rate of polymeric vascular grafts is to create a layer of endothelial cells on the lumen of the prosthesis. A coating that promotes the adhesion and growth of human umbilical vein endothelial cells (HUVEC) is required to achieve that layer. Previous studies have demonstrated that the addition of R-NH2 groups on the coating allows the adhesion of U937 monocytes, provided that their concentration [NH2] is higher than a certain critical value, [NH2]crit; R-NH2 groups were also found to enhance the adhesion and proliferation of HUVEC. Two different primary amine-rich coatings are investigated in this work: organic thin films deposited by vacuum ultraviolet (VUV) photo-polymerization, UV-PE:N; and parylene diX AM, deposited by chemical vapor deposition (CVD). The physico-chemical stability of these coatings in air and in water, essential for biomedical applications, was first studied. “Aging” of parylene diX AM in contact with the ambient air caused a diminution of [NH2]/[C] of around 6 % during 22 days and is caused by the oxidation of R-NH2 by atmospheric oxygen, while in the case of UV-PE:N, the diminution is only of 2,5 % over 26 days. Also, a second aging mechanism is present: the reaction of trapped free radicals in the coating with oxygen in air or dissolved in water. The UV-PE:N coating proved virtually insoluble, despite a high concentration of nitrogen and showed excellent retention of the R-NH2 groups when immersed in water, two essential properties for applications in cell culture. These studies have also shown that UV-PE:N coatings (deposited with two gas ratios, R = 0.75 and 1) permit adhesion and survival of U937 monocytes without causing any significant inflammatory response, which enables one to study wear particle effects. However, the adhesion of U937 monocytes on parylene diX AM manifests a rather different behavior, adhesion being