Mes activités de recherche s’inscrivent dans l’étude des interfaces entre les matériaux et les organismes vivants. Je participe à plusieurs projets de l’équipe Matériaux et Biologie du LCMCP, en particulier sur l’utilisation de biomolécules (collagène I, fibrine, chitosane) pour l’élaboration de biomatériaux mais aussi dans le domaine des matériaux antibactériens à travers diverses collaborations. Le fil rouge de ces différentes activités est mon expertise dans le domaine de la chimie de la silice et de l’élaboration de matériaux à base de biomolécules, telle qu’elles existent dans le vivant et de leurs applications dans le domaine biomédical.
I. Interactions entre la silice et le vivant
Du fait de sa large distribution sur la planète, la silice est présente chez de nombreux êtres vivants. Nous nous sommes intéressés plus particulièrement aux mécanismes de silicification contrôlée chez les diatomées et certaines éponges. Dans ces organismes, le contrôle de la formation de silice est assurée par un ensemble complexe de biomolécules dont la structure, la production et l’organisation sont régulées par la cellule, sous contrôle génétique.
Il ne s’agit évidemment par pour nous de comprendre les mécanismes biologiques mis en jeu mais de comprendre les principes de chimie et physico-chimie qui régulent les interactions entre les molécules biologiques et la silice. Cette capacité de certains organismes vivants de survivre dans un matériau à base de silice nous a conduit à développer des procédés d’encapsulation de bactéries et de microalgues dans des matrices siliceuses obtenues par voie sol-gel. Une approche dite composite a été mise au point qui permet de conserver ces organismes vivants sur plusieurs semaines.
Les interactions entre silice et vivant sont aussi intéressantes à étudier chez les animaux et les humains. Le silicium est présent en petites quantités dans les fluides biologiques (sang) et dans les tissus durs (dents, os). Les nanoparticules de silice sont présentes dans de nombreux produits du quotidien. En outre, la silice obtenue à l’échelle nanométrique a démontré un large potentiel, au moins académique, pour des applications thérapeutiques (« nanomédecine »).
Dans ce cadre, il est important d’évaluer la toxicité des nanoparticules à base de silice. Cela inclut d’étudier et comprendre leurs interactions avec notre corps à différentes échelles, des organes aux cellules. Nous avons déjà mené plusieurs études sur l’effet de la taille et de la chimie de surface des particules sur leur devenir dans des modèles de tissus. Nous avons aussi pu mettre en évidence la capacité de cellules animales de dissoudre la silice intracellulairement.
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Notre questionnement actuel s’oriente selon 3 axes :
- ce processus est-il sous contrôle biologique (intervention d’enzymes spécifiques) ou purement physico-chimique (équilibre de solubilité) ?
- peut-on moduler ce phénomène en jouant sur la composition ou la stucture de la silice ?
Plus récemment, nous nous nous sommes aussi intéressé au possible rôle du silicium dans la régénération de la dentine.
II. Approche biomimétique pour la réparation tissulaire
Il est considéré actuellement que, pour remplacer ou réparer un tissu, une approche biomimétique, c-à-d l’élaboration d’un biomatériau qui ressemble le plus possible à ce tissu, est particulièrement pertinente. En particulier les principales molécules qui le composent constituent des composants de choix à partir desquels le matériau peut être construit. L’équipe MatBio utilise depuis de nombreuses années le collagène de type I, protéine majoritaire de nombre de nos tissus, pour élaborer des biomatériaux. L’UR 2496 utilise aussi des gels denses de collagène pour la réparation cranio-faciale.
Récemment, je me suis aussi intéressé à la fibrine, responsable de la formation du caillot sanguin. Ces deux protéines ont en commun de former des hydrogels par une processus d’auto-assemblage (fibrillogénèse) mais leur structure, dimensions et réactivité sont très différentes. En outre, elles peuvent avoir des affinités dissemblables vis-à-vis de certaines cellules. Un de nos objectifs actuels est de pouvoir combiner ces deux protéines au sein d’un même biomatériau.
En plus de ces deux systèmes, nous développons aussi des matériaux à partir d’autres polymères naturels, comme la gélatine, l’alginate, le chitosane ou la pectine, pour tirer profit de leurs propriétés de gélification ou pour leur propriétés antibactériennes. Plus récemment, j’ai également commencer à travailler sur des biomatériaux polymères à base de monomères bio-sourcés, en collaboration avec D.L.
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En parallèle, nous nous attachons à étudier la contribution de matériaux à base de silice dans le domaine médical. En particulier, nous cherchons à démontrer l’intérêt de développer des bio-matériaux associant des polymères biocompatibles (collagène, fibrine) avec de la silice. Nos travaux ont montré que la silice pouvait améliorer les propriétés mécaniques des gels biologiques sans impacter significativement la réponse cellulaire et in vivo. Cependant, ceci dépend très fortement de la nature chimique et de la morphologie des silices utilisées.
L’illustration présentée ci-dessus montre par exemple que des bâtonnets de silice incorporés dans des matériaux à base de collagène peuvent orienter la croissance de cellules de la peau. Au delà de la silice, nous avons aussi acquis une bonne expertise dans la synthèse d’hydroxyapatite à l’échelle nanométrique et leur association avec des molécules organiques.
III. Science des matériaux dans le contexte dentaire
J’ai récemment découvert la complexité et la richesse de la science des matériaux dentaires, qui englobe à la fois la formation et la structure des tissus dentaires mais aussi les biomatériaux utilisés pour leur réparation. J’apporte mes connaissances en chimie de l’hydroxyapatite et dans les méthodes d’analyse du solide (microscopies électroniques, DRX, spectroscopies vibrationnelles,…) pour étudier la structure et la composition de dents pathologiques à différentes échelles.
Publications récentes
- Impact of X-ray irradiation on the chemistry and structure of biogenic hydroxyapatite: the case of human enamel. T. Coradin, A. Percot, L. Slimani, M. Selmane, N. Masri, S. Le Goff, J.
- Tunable microfibrillar collagen structures within dense chitosan hydrogels. E. Devernois, C. Hélary, J. Charliac, G. Mosser, T.
- Evaluation of silica and bioglass nanomaterials in pulp-like living materials. D. Mbitta Akoa, A. Avril, C. Hélary, A. Poliard, T. Coradin, ACS Biomater. Sci. Eng.
- Sclerostin Antibody-Loaded Dense Collagen Hydrogels Promote Critical-Size Bone Defect Repair L. Sicard, S. Mbitta Akoa, C. Collignon, T. Coradin, C. Chaussain, ACS Biomater. Sci. Eng.
- Silicon impacts collagen remodelling and mineralization by human dental pulp stem cells in 3D pulp-like matrices. D. Mbitta Akoa, C. Hélary, A. Foda, C. Chaussain, A. Poliard, T. Coradin, Dent. Mater.
- Multiscale characterization of Developmental Defects of Enamel and their clinical significance for diagnosis and treatment S. Houari, K. DeRocher, T. Thu Thuy, T. Coradin, V. Srot, et al., Acta Biomater.
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