RESUME DE MON DOCTORAT
La biocompatibilité des matériaux utilisés
dans les domaines des implants et des biosenseurs dépend fortement
des premières interactions ayant lieu entre une surface donnée
et l'environnement biologique. Il est bien connu que lorsqu'un corps vivant
est mis en contact avec une surface, une adsorption de protéines
est induite (rétention de protéines sur une surface), formant
une interface sur laquelle d'autres protéines ou cellules vont adsorber.
Les interactions peuvent être influencées en modifiant les propriétés
de la surface, qui sont la chimie, la charge et la topographie. Il a été
démontré que les cellules sont sensibles à la topographie,
se développant le long de rainures de largeurs définies
et de profondeurs à l'échelle du micromètre.
La question fondamentale abordée
dans la première partie de cette thèse est de savoir si les
protéines peuvent aussi ßentir" la topographie à l'échelle
du nanomètre, en analogie avec le comportement des cellules. Ces
investigations sont particulièrement importantes, puisque des protéines
sont toujours présentes entre la surface et les cellules. Les modifications
topographiques doivent être effectuées à l'échelle
du nanomètre, ce qui correspond à la grandeur des protéines.
Avec un Microscope à Force Atomique (AFM) et en appliquant l'Oxidation
Anodique Locale (LAO) à air ambiant, il est possible de créer
des nanostructures d'une hauteur de 1-4nm et d'une
largeur de 10nm. La caractérisation de la surface par Spectroscopie
Photoélectronique à Rayons-X (XPS) révèle que
la LAO assure une modification de la topographie de la surface sans aucun
changement de sa composition chimique. Les surfaces structurées par
LAO représentent ainsi des systèmes idéaux pour étudier
l'adsorption des protéines en fonction de la topographie. Nous pouvons
visualiser les nanostructures crées par l'AFM et successivement adsorber
les protéines in-situ, rincer et imager la nouvelle surface. La comparaison
des densités des protéines adsorbées sur les nanostructures
et sur la surface vierge montre que l'arrangement des protéines dépend
des nanostructures sous-jacentes. Une remarquable spécificité
de l'adsorption de filaments d'actine (F-actine) est notée en fonction
de la hauteur des nanostructures. Sur le titane (Ti), la F-actine adsorbe
peu sur les lignes de 4nm de haut, et les protéines sont orientées
aléatoirement. Au contraire, une grande adsorption de protéines
est observée sur les structures ayant des hauteurs comprises entre
1 et 2nm. De plus, les filaments s'adsorbent de préférence
parallèlement aux nanostructures. Sur le silicium, la F-actine adsorbe
également de préférence le long des lignes de 1nm de
haut, cependant la densité des protéines adsorbées
est plus grande sur la surface non-structurée. Nous avons ainsi pu
démontrer que les protéines sont sensibles à la nanotopographie
des surfaces.
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Les expériences réalisées
avec l'AFM ne permettent que des mesures statiques, et ne donnent aucune
information quant à la cinétique d'adsorption des protéines.
La seconde partie de cette thèse est consacrée à la
construction d'une Microbalance à Crystal de Quartz (QCM) qui nous
permet tout d'abord de suivre la cinétique d'adsorption, et deuxièmement
d'acquérir des informations sur les propriétés viscoélastiques
de la couche adsorbée. La QCM est une technique relativement nouvelle
mais ultrasensible. Dans les liquides, la QCM peut détecter 9ng/cm2,
et cette sensibilité atteint 0.135ng/cm2 dans le vide.
Néanmoins, la quantification de la masse adsorbée est
difficile à déterminer dans les milieux liquides, car différents
phénomènes influencent les paramètres mesurés.
Premièrement, les molécules d'eau retenues entre les particules
adsorbées apportent leur contribution à la masse mesurée,
et deuxièmement, une modification des propriétés du
liquide ou de la masse, telles que la densité ou la viscosité,
peuvent générer des artefacts. Au contraire des instruments
commerciaux, la QCM que nous avons construite permet de mesurer l'amplitude
maximale d'oscillation du crystal de quartz. Ce paramètre nous permet
de distinguer la contribution due à la masse adsorbée de
celle due aux changements de propriétés du liquide et de
la masse. L'interprétation des mesures QCM est ainsi améliorée.
Dans ce travail de thèse, des expériences ont été
réalisées dans les liquides avec différents systèmes,
comme des protéines et des cellules, ainsi que sur différentes
surfaces. Une plus grande quantité de protéines s'adsorbent
sur l'or que sur le Ti. Néanmoins lorsque la concentration des protéines
est élevée, l'activité biologique des protéines
est plus grande sur le titane. L'adsorption des cellules est régie
par des phénomènes complexes qui ne sont pas encore entièrement
compris. Nous démontrons que, durant les 80 premières minutes
d'adsorption, l'expansion des cellules influence principalement les paramètres
mesurés. Ensuite le cytosquelette est développé,
induisant une rigidification de la cellule, ce qui augmente la viscosité
totale de la cellule. Ce phénomène induit des variations
de la fréquence, de l'amplitude et de la constante d'amortissement
malgré qu'aucune modification réelle de la quantité
de cellules adsorbées n'ait lieu. En utilisant des drogues, il a
été possible de modifier l'état de polymérisation
du cytosquelette, ce qui induit des changements des proporiétés
viscoélastiques des cellules adsorbées. Les changements de
fréquence, d'amplitude et de constante d'amortissement mesurés
durant l'expansion cellulaire ont ainsi pu être reproduits.
En résumé, la topographie est un paramètre
important qui doit être pris en considération dans le domaine
général des biomatériaux, car la structure de la
surface à l'échelle du nanomètre peut influencer
la réponse d'un environement biologique. Afin de mieux analyser
l'adsorption de protéines et la réponse cellulaire envers
des surfaces, la QCM est une technique très prometteuse, permettant
non seulement de mesurer la masse adsorbée, mais aussi le développement
des cellules. Il est cependant essentiel de mesurer plusieurs paramètres.
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