Mécanismes de germination et de croissance couplés à des transferts aux interfaces
Ce domaine de recherche regroupe plusieurs études de notre équipe, où l’accent est mis sur les mécanismes de germination et de croissance à partir d’un milieu liquide en sursaturation (oxydation sélective et cristallisation) ou en surfusion (solidification, lyophilisation).
Caractérisation des matrices d’hydrogel à chaque étape du procédé:
- (a) image MEB montrant le polymère exclu par les cristaux de glace,
- (b) image EBSD révélant une orientation cristallographique préférentielle des cristaux (axe c vertical),
- (c) distribution de taille de pore de la matrice lyophilisée obtenue par nanotomographie X,
- (d) distribution des orientations azimutale (φ) et radiale (θ) du grand axe des pores : le grand axe est préférentiellement horizontal en cohérence avec l’orientation des cristaux de glace (croissance plus rapide dans le plan basal ⊥c).
Dans le cadre du projet BiOS (projet Labex LaSIPS 2016 sur un Os Bio-artificiel en Bioréacteur à perfusion), associant LGPM, MSSMat (CentraleSupélec, UMR CNRS 8579) et LVTS (INSERM, U1148), et de la thèse de Jérôme Grenier (bourse d’excellence IDI de l’IDEX Paris-Saclay), nous nous intéressons à l’élaboration et à la caractérisation de matrices poreuses ostéoconductrices pour l’ingénierie tissulaire osseuse. Ces matrices, à base d’hydrogel de polysaccharides réticulés, sont structurées par lyophilisation : les cristaux de glace formés lors de l’étape de congélation laissent place à des pores lors de la sublimation. Les caractéristiques du réseau poral obtenu conditionnent l’ensemencement et la cellularisation des matrices lors de leur mise en œuvre in vitro ou in vivo.
En couplant différentes techniques d’analyse (cryo-EBSD-EDX en collaboration avec Géosciences Montpellier, UMR 5243 ; nanotomographie X et microscopie confocale laser au LGPM), nous avons pu
(i) caractériser les matrices et leur structure à chaque étape de l’élaboration jusqu’à leur ensemencement par des ostéoblastes
(ii) identifier les mécanismes associés à la formation des pores dans l’hydrogel réticulé (1). La congélation est l’étape qui détermine la structuration du biomatériau. Elle se déroule en deux étapes : une première étape rapide de recalescence (germination primaire hétérogène et « singulière » puis germination secondaire par fragmentation des aiguilles de glace interagissant avec le réseau de polymère) suivie d’une seconde étape plus lente de croissance des cristaux de glace qui « repoussent » le polymère, conduisant à la rupture de chaînes et à la formation irréversible de pores.
Références : (1) Grenier J., Duval H., Barou F., Lu P., David B., Letourneur D., 2018, ore formation in hydrogel scaffolds textured by freeze-drying Conférence MATERIAUX 2018, 19-23 novembre 2018, Strasbourg.