Supramolecular gels : synthesis, self-assembly, biocompatibility and application as scaffold for neuronal cell culture
Gélifiants supramoléculaires : synthèse, auto-assemblage, biocompatibilité et application pour la culture de cellules neuronales
Résumé
Nowadays, repairing brain lesions is still one of the main challenges of tissue engineering. Meanwhile, work still has to be done for the creation of representative in vitro brain tissue models, especially when it comes to the biomaterials used to support cell growth. This present work consists in the development of a hydrogel as a biomaterial for the survival and growth of human neural stem cells. These (supra)molecular gels, the property of which is to form by self-assembly, may present many advantages for this kind of application. Indeed, their mechanical properties, their bioavailability and their microstructure - among others - make them interesting candidates for neuron culture. One family of supramolecular gelators have thus been synthesized, characterized and tested as cell culture scaffolds. Those gelators are alkylgalactonamides, which means they are derived from a sugar - the galactose - and an alkyl fatty chain. They form hydrogels by cooling down to room temperature after a first dissolution at high temperature. The cooling provokes the self-assembly of the molecules resulting in the formation of the fibers. During their preparation, it has been found that a controlled cooling rate enabled the formation of more homogeneous and more stable hydrogels that are compatible with cell culture conditions and with longer fibers. These hydrogels have shown a good biocompatibility as well as a good cell survival and a three-dimensional growth of human neural stem cells. The latter grew long neurites and expressed markers of neuronal (ß3-tubulin) and glial differentiation (GFAP), especially on one of the hydrogels. The last part of this work was to use new 3D material structuring techniques in order to further construct well-defined centimetric scaffolds with these hydrogels. A technique of wet spinning based on solvent exchange was developed and enabled the direct and controlled extrusion of the hydrogel at room temperature. Thin and regular hydrogel filaments composed of monodisperse nanometric fibers can thus be obtained. Trials have also been done to apply this method to 3D printing. In the end, this project shows that some molecular gels can display properties particularly adapted for tissue engineering, especially with neural stem cells, and it also opens perspectives for the shaping of these delicate materials.
La réparation de lésions cérébrales reste de nos jours un grand challenge de l'ingénierie tissulaire. De même, l'établissement de modèles in vitro représentatifs du tissu cérébral est un sujet qu'il reste à explorer, surtout du point de vue des biomatériaux à utiliser pour soutenir la croissance cellulaire. Ce travail consiste donc au développement d'un biomatériau de type hydrogel adapté à la survie et la croissance de cellules souches neurales humaines. Les gels de type (supra)moléculaires, qui ont la particularité de se former par auto-assemblage, pourraient présenter de nombreux avantages pour ce type d'application. En effet, ils possèdent entre autres des propriétés mécaniques, une biodisponibilité et une structuration aux échelles micro et nanométriques originale qui font de ces gels des supports intéressants pour la culture de neurones. Une famille de gélifiants supramoléculaires a donc été synthétisée, caractérisée et étudiée en tant que support de culture cellulaire. Ces gélifiants sont de type alkylgalactonamide, c'est-à-dire dérivés d'un sucre - le galactose - et d'une chaîne grasse de type alkyle. Ils forment des hydrogels par refroidissement jusqu'à température ambiante d'une solution de gélifiant préalablement portée à haute température. Le refroidissement entraîne la formation de fibres micrométriques par auto-assemblage des molécules. Il a été établi qu'un contrôle précis du refroidissement lors de leur préparation permettait l'obtention d'hydrogels plus homogènes, plus résistants, qui sont compatibles avec les conditions de culture cellulaire et avec des fibres plus longues. Ces hydrogels se sont révélés être biocompatibles, avec une survie et une croissance en trois dimensions des cellules souches neurales humaines en leur sein. Ces dernières développent de longs neurites et expriment des marqueurs de la différentiation neuronale (ß3-tubuline) ou gliale (GFAP), notamment sur l'un des hydrogels. Le dernier aspect de ce travail a consisté à l'utilisation de nouvelles techniques de structuration en 3D des matériaux afin de construire avec ces hydrogels des supports centimétriques avec une forme bien définie. Une technique de filage en voie humide basée sur l'échange de solvants (wet spinning) a alors été mise au point permettant d'extruder l'hydrogel de façon contrôlée et directement à température ambiante. Elle permet d'obtenir de fins filaments de gel très réguliers soutenus par des fibres nanométriques de largeur monodispersée. Des essais ont également été effectués pour appliquer cette technique à l'impression 3D. Au final, ce projet démontre que certains gels moléculaires peuvent présenter des propriétés particulièrement adaptées pour l'ingénierie tissulaire notamment avec des cellules souches neurales et ouvrent également des perspectives dans le domaine de la mise en forme de ces matériaux délicats.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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