Développement de liquides synoviaux synthétiques bio-inspirés

Abstract

La bioinspiration consiste à analyser les systèmes naturels qui se sont adaptés parfaitement à leurs environnements pour développer des solutions ingénieuses. Ce projet de thèse aborde la thématique de la lubrification articulaire dans le but de développer un traitement contre l'ostéoarthrite (OA). Nous nous sommes inspirés des articulations synoviales, systèmes tribologiques très performants grâce aux interactions synergiques entre la structure unique du cartilage et les molécules lubrifiantes (ML) du fluide synovial (SF). Cependant, lors de l'OA des mécanismes inflammatoires et d'érosion mécanique aboutissent à la dégénérescence progressive du cartilage et la dégradation spécifique des ML du SF (aggrécane et lubricine). Des mimes des ML du SF ont été synthétisés reprenant leur structure particulière dite en écouvillon moléculaire (BB), structure responsable de la lubrification. Des tests tribologiques (SFA, tribomètre) ont montré que les BB garantissent à la fois une faible friction et une résistance à l'usure sur des surfaces dures de mica. Ceci est dû à la présence, sur nos EM, de groupements d'ancrage spécifiques assurant l’adsorption sur la surface de mica et à la formation d'enchevêtrements et d’interactions intermoléculaires avec l'acide hyaluronique de haut poids moléculaire, composant essentiel du SF. Des mimes de cartilage à base d'hydrogels de chitosane multicouches ont été également réalisés reprenant les principales propriétés architecturales du cartilage. En combinaison avec nos EM, ces hydrogels, matériaux poroélastiques fragiles, sont capables d’être lubrifiés avec une friction dans la gamme physiologique et une nette amélioration de leur usure.

Bioinspiration consists in the design of materials inspired by biological systems which have developed ingenious solutions to suit their environment. This project deals with bioinspiration for joint lubrication and in particular for the development of treatments for patients suffering from osteoarthritis (OA). To do so, we took our inspiration from joints which are amongst the most efficient aqueous tribological systems. Their unique properties arise from the complex synergistic interactions between cartilage structure and the lubricant macromolecules of the synovial fluid (SF). However, during OA, inflammatory mechanisms as long as mechanical erosion result in the degeneration of cartilage and lubricant macromolecules (aggrecan and lubricin). Polymeric mimes of the SF have been synthesized based on the bottle-brush (BB) architecture of LUB and AGG which is responsible for the joint lubrication. Tribological tests (SFA, tribometer) showed that BB polymers provided mica surfaces with a low friction and a wear protection up to several megapascals, typically in the range of natural joints. This wear protection was essentially due to the incorporation of anchoring groups specific to mica tribopairs on the BB polymers and the intermolecular bridging and entanglements emerging between BB polymers and high molecular weight HA, another main SF component. Cartilage mimes composed of multilayered chitosan hydrogels were designed to mimic the basic features of cartilage. Along with our BB polymers, the hydrogels, which are poroelastic and fragile materials, provided a low friction and a great decrease of wear.