Auto-assemblage de polyélectrolytes : formation de nanoring, adhésion de protéines et de cellules
Institution:
Strasbourg 1Disciplines:
Directors:
Abstract EN:
Frequently, the dental surgery one faces serious problems of defects osseous and loss of teeth; this means that those must be replaced by prostheses or implants to reconstitute the function and static. These materials were called biomaterials, since they interact with the systems made up of cells and fabrics. It is currently difficult to give a definition of "biomaterial" since the concepts changed in the last few years. We can however define a biomaterial as "a nonbiological material which interacts with biological systems" (Williams 1987). Since it interacts with biological systems, this material must be biologically accepted or at least no cause tissue injure; consequently we must also give a definition of "biocompatibility" which is "the capacity of a material to induce a suitable answer of the host for a specific application" (Williams 1987). These terms are appropriate in the majority of materials currently used like biomaterials, however the "nonbiological" term is not completely exact, since many materials used like biomaterials or medical devices are of biological origin, such is the case of bone grafts. One already used a large variety of materials like biomaterials, metals, ceramics, polymers, glasses, carbon, and composite materials. There are many examples of applications of the biomaterials: cardiac valves, articulations of knee, implants dental, intraocular lenses, etc. Now, many medical fields use the biomaterials. Each year in the United States more than 30. 000 prostheses of the knee and hip also 100. 000 to 300. 000 dental implants are placed (D. A. Puleo, 1999). In the European Community more than 50. 000 prostheses of hip and approximately 100. 000 dental implants are placed (SIMI Project). These statistics increase each year as the materials used get a greater safety with their patients, which also tend to lower the costs, by facilitating their good use gradually. One of most significant advanced in this field, was "the material bioactive" design. I. E. Works with the design and the development of biomaterials to which biologically activated molecules were built-in, in order to control the cellular answer. One conceived a series of process to this end by stressing polymer adhesion at surface of materials. The method suggested by Decher is of a great interest for self-assembly polyelectrolytes thin films made on the surface of materials. The alternate absorption of polyelectrolytes anion and cation on solid surfaces gives us the possibility of forming the multi-layer ones of very thin polyelectrolytes, which constitutes a versatile technique to modify surfaces. This possibility is of a great attraction for industry and medicine. The most significant characteristic of the polyelectrolytes is their capacities to be charged electrically in solution, which gives us the possibility of forming self-assembly polyelectrolytes films, with the possibility of intercalating and of immobilizing a large variety of made up on treated surface, such with inorganic particles or organics like proteins, the enzymes, etc, by providing to the surface of material really active characteristics, which constitute new strategies to control the answer of the host. This can be the key for the design and manufacture of biomaterials bioactives able to control the answer of the host at the molecular level by creating an adequate, fast and directed answer. Our work consisted in : the study of the formation of nanoring, the study of the adsorption of proteines on films in a field of precise pH, the study of the adhesion of cells on films of polyelectrolytes for micro aspiration. We studied the adsorption of the HSA on films made of polypeptides, the poly(L-lysine) (PLL), and the acid poly(glutamique) (PGA) in a field of pH 3. 0-10. 5. We showed that adsorption depends enormously on the last layer of the film. For the PLL, to low pH, an electrostatic repulsion limits adsorption. With the pH superiors one on adsorption of HSA on the PGA is observed. This is with the conformation of the rich PGA helical alpha which increases the roughness of film. Finally, we studied the adhesion of cells of films of polyelectrolytes. All the biological processes are achieved thanks to weak specific molecular interactions which generate connections of short duration; too strong interactions would remove all dynamics essential to the life. We thus evaluated by the technique of micromanipulation by micropipette the short-term interactions of cells with multi-layer films. By grafting hundreds of cells on a substrate, one will be able to distinguish the mechanical answers from the healthy cells. The goal of this work was the modulation of the multi-layer film properties with respect to the cellular adhesion. We observed also at the time of the deposit of PSS on a layer of PEI, the formation of circular structures. We named these structures of the nanorings. These structures are variable sizes of 300 Nm diameters to 2 µm diameter between the various experiments but by experiment, are of very homogeneous size. Such structures had never been observed. We thus sought to include/understand the mechanisms of controls and formation of these structures. These observations were realizes in AFM by using a liquid cell which prevents the appearance of artefacts due to dehydration. We determined that the two parameters which control the size of the nanoring are the size of the pores of the filters used for the preparation of the solution of PSS and the time of contact of the solutions with the air. Indeed, divalent ions CO3 -- play a dominating role in the formation of this nanoring. It is about a mechanism of car-assembly of hydrophobic complexes of PSS on the surface of film of PEI. The size being controlled by a balance enters the electrostatic repulsions and hydrophobic attractions and under the dependence of the electrostatic interactions between the PEI and the PSS.
Abstract FR:
Fréquemment, la chirurgie dentaire fait face à de graves problèmes de défauts osseux et compris la perte de dents; ceci signifie que celles-ci doivent être remplacées par des prothèses ou implants pour reconstituer la fonction et l'esthétique. Ces matériaux ont été appelés des biomatériaux, puisqu'ils interagissent avec les systèmes constitués de cellules et de tissus. Il est actuellement difficile de donner une définition de " biomatériau " puisque les concepts ont changé durant ces dernières années. Nous pouvons toutefois définir un biomatériau comme " un matériau non biologique qui interagit avec des systèmes biologiques " (Williams 1987). Puisqu'il interagit avec des systèmes biologiques, ce matériau doit biologiquement être accepté ou au moins ne pas provoquer de dommages tissulaires ; par conséquent nous devons aussi définir le terme " biocompatibilité " qui est " la capacité d'un matériau à induire une réponse appropriée de l'hôte pour une application spécifique " (Williams 1987). Ces termes conviennent à la majorité des matériaux actuellement utilisés comme biomatériaux, toutefois le terme " non biologique " n'est pas tout à fait exact, puisque beaucoup des matériaux utilisés comme biomatériaux ou dispositifs médicaux sont d'origine biologique, tel est le cas des greffes de tissus. On a déjà utilisé une grande variété de matériaux comme biomatériaux, métaux, céramique, polymères, verres, carbone, et matériaux composites. Il existe de nombreux exemples d'applications des biomatériaux : les valves cardiaques, les articulations de genou, les implants dentaires, les lentilles intraoculaires, etc. Actuellement, de très nombreux domaines médicaux utilisent les biomatériaux. Chaque année aux Etats-Unis plus de 30. 000 prothèses du genou et de hanche aussi que 100. 000 à 300. 000 implants dentaires sont placés (D. A. Puleo, 1999). Dans la Communauté Européenne sont placés plus de 50. 000 prothèses de hanche et environ 100. 000 implants dentaires (SIMI Project). Ces chiffres augmentent chaque année au fur et à mesure que les matériaux utilisés procurent une plus grande sécurité à leurs patients, ce qui tend aussi à abaisser les coûts, en facilitant progressivement leur bon usage. Une des avancées les plus importantes dans ce domaine, a été la conception de " matériaux bioactifs ". C'est-à-dire que l'on travaille à la conception et l'élaboration de biomatériaux auxquels des molécules biologiquement activées ont été incorporées, afin de contrôler la réponse cellulaire. On a conçu une série de processus dans ce but en mettant l'accent sur l'adhésion de polymères à la surface des matériaux. La méthode proposée par Decher est d'un grand intérêt pour l'autoassemblage de film de polyélectrolytes à la surface des matériaux. L'absorption alternée de polyélectrolytes anioniques et cationiques sur des surfaces solides nous donne la possibilité de former des multicouches de polyélectrolytes très minces, ce qui constitue une technique ubiquitaire pour modifier des surfaces. Cette possibilité est d'un grand attrait pour l'industrie et la médecine. La caractéristique la plus importante des polyélectrolytes est leur capacités d'être chargé électriquement en solution, ce qui nous donne la possibilité de former des films alternés de polyélectrolytes autoassemblés, avec la possibilité d'intercaler et d'immobiliser une grande variété de composés sur la surface traitée, telles de particules inorganiques ou organique comme des proteines, les enzymes, etc. , en fournissant à la surface du matériau des caractéristiques réellement actives, qui constituent de nouvelles stratégies pour contrôler la réponse de l'hôte. Celle-ci peut être la clé pour la conception et fabrication de biomatériaux bioactifs capables de contrôler la réponse de l'hôte au niveau moléculaire en créant une réponse adéquate, rapide et dirigée. Notre travail a consisté en : l'étude de la formation de nanoring, l'étude de l'adsorption de proteines sur des films dans un domaine de pH précis, l'étude de l'adhésion de cellules sur des films de polyelectrolytes pour micro aspiration. Nous avons observé lors du dépôt de PSS sur une couche de PEI, la formation de structures circulaires. Nous avons nommé ces structures des nanorings. Ces structures sont de tailles variables de 300 nm de diamètre à 2 µm de diamètre entre les différentes expériences mais par expérience, sont de taille très homogène. De telles structures n'avaient jamais été observées. Nous avons donc cherché à comprendre les mécanismes de contrôles et de formation de ces structures. Ces observations ont été réalise en AFM en utilisant une cellule liquide qui prévient l'apparition d'artéfacts dus à la déshydratation. Nous avons déterminé que les deux paramètres qui contrôlent la taille des nanoring sont la taille des pores des filtres utilisés pour la préparation de la solution de PSS et le temps de contact des solutions avec l'air. En effet, les ions divalents CO3—jouent un role prépondérant dans la formation de ces nanoring. Il s'agit d'un mécanisme d'auto-assemblage de complexes hydrophobiques de PSS à la surface du film de PEI. La taille étant contrôlée par une balance entre les répulsions électrostatiques et les attractions hydrophobiques et sous la dépendance des interactions électrostatiques entre le PEI et le PSS. Nous avons étudié aussi l'adsorption de la HSA sur des films formé de polypeptides, la poly(L-lysine) (PLL), et l'acide poly(glutamique) (PGA) dans un domaine de pH 3. 0-10. 5. Nous avons démontré que l'adsorption dépend énormément de la couche supérieure des films. Pour le PLL, à pH bas, une répulsion électrostatique limite l'adsorption. Aux pH supérieurs une sur adsorption de HSA sur le PGA est observé. Ceci est du à la conformation du PGA riche en hélice alpha qui augmentent la rugosité du film. Finalement, nous avons étudié l'adhésion de cellules des films de polyelectrolytes. Tous les processus biologiques s'accomplissent grâce à des interactions moléculaires spécifiques faibles qui génèrent des liaisons de courte durée; des interactions trop fortes supprimeraient toute la dynamique indispensable à la vie. Nous avons donc évalué par la technique de micromanipulation par micropipette les interactions à court terme de cellules avec des films multicouches. En greffant des centaines de cellules sur un substrat, on pourra distinguer les réponses mécaniques des cellules saines. Le but de cette travail a été la modulation des propriétés de films multicouches vis à vis de l'adhésion cellulaire.