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POURVU - Mécanique de fibres hydrogels et de leurs assemblages pour la conception de substituts de tissus biologiques à haute résistance

POURVU - Mécanique de fibres hydrogels et de leurs assemblages pour la conception de substituts de tissus biologiques à haute résistance

PROVIDED - Mechanics of hydrogel fibers and of their assemblies for the design of biological tissue substitutes with high resistance

Proposition de thèse

Spécialité

Sciences et génie des matériaux

Ecole doctorale

Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique

Directeur de thèse

CORTE Laurent

Unité de recherche

Centre des Matériaux

ContactLaurent CORTE
Date de validité

01/10/2019

Site Webhttp://www.mat.mines-paristech.fr/Accueil/Propositions-de-theses/
Mots-clés

Hydrogel, Fibre, Textile, Fatigue, Biomatériaux, Implants

Hydrogel, Fibre, Textile, Fatigue, Biomaterials, Implants

Résumé

Les hydrogels polymères sont des solides souples pouvant mimer finement les tissus biologiques. Cependant, leur tenue mécanique souvent trop faible limite considérablement leurs applications en tant que matériaux implantables. Ce projet doctoral explorera le comportement mécanique très particulier de fibres hydrogel biocompatibles ayant une haute résistance en traction. Il étudiera comment concevoir des assemblages pouvant servir de substituts implantables pour la reconstruction tissulaire.

Polymer hydrogels are soft solids that can closely mimic the properties of biological tissues. Nevertheless, their mechanical strength is often too poor, which greatly reduces their applications as implantable materials. This PhD project will explore the very peculiar behavior of biocompatible hydrogel fibers having a high tensile resistance. This knowledge will be used to design fibrous assemblies that could be used as implantable substitutes for tissue reconstruction.
* Context and challenges:
Synthetic hydrogels are very promising materials for the reconstruction of damaged tissues. These soft elastic solids are composed of a hydrophilic macromolecular network swollen by water. They share many similarities with living tissues. Nevertheless, their poor resistance to tensile loads is a major limitation for the design of medical implants for tissue repair. The research we have carried out in the past years at the Centre des Matériaux and at GeorgiaTech (USA) on the design of new ligament substitutes have shown that hydrogel fibers exhibit a unique combination of high tensile resistance [1,2] and excellent biocompatibility [3,4]. A preclinical assessment is on-going in collaboration with the laboratory of Biology, Bioengineering and Bioimaging of the OsteoArticular system (Paris Diderot University) and Institut de Biomécanique Humaine Georges Charpak (ENSAM) [5].
The assemblies obtained from those hydrogel fibers have been very little studied hitherto and original phenomena are anticipated, which could lead to a new way to design textiles having complex mechanical behaviors close to those of biological tissues. This PhD project proposes to study these assemblies of hydrogel fibers in order to design soft implants for tissue reconstruction. This research will be part of a larger cooperation between the Centre des Matériaux at Mines ParisTech and the laboratory Molecular, Macromolecular Chemistry and Materials at ESPCI Paris, which aims at the development of soft matter systems bringing new solutions to clinical practice.
Scientific objectives:
The project will be organized along 2 main axes :
- Axis 1 : A fundamental study of the characterization and modeling of the mechanics of assemblies of hydrogel fibers.
- Axis 2 : The application of the knowledge generated in the first axis to design soft implants offering relevant functions for tissue reconstruction and surgery.
Methodology:
This PhD project will involve challenging experimental works and will start with a physical and mechanical study of model assemblies of fibers. Through the combination of microscopic and mechanical characterization as well as analytical and numerical modeling, the PhD student will then propose models to capture the mechanical behavior of those systems as a function of the physico-chemical properties of the fibers and of the geometry of the assemblies. These results will be applied to fabricate prototypes which will then be characterized with custom-made set-ups simulating surgical use and in vivo conditions.
References :
[1] Corté L., Cantournet S., Detrez F., Ku D.N., Cherkaoui M., Baxter F.R., Bach J.S. Device for tissue repair Patent PCT/FR2011/050108 (2011)
[2] Bach J.S., Detrez F., Cherkaoui M., Cantournet S., Ku D.N., Corté L. Hydrogel fibers for ACL prosthesis: design and mechanical evaluation of PVA and PVA/UHMWPE fiber constructs. J. Biomech., 46 (2013)
[3] Moreau D., Villain A., Bachy M., Proudhon H., Ku D.N., Hannouche D., Petite H., Corté L. In vivo evaluation of the bone integration of coated poly(vinyl-alcohol) hydrogel fiber implants. J. Mater. Sci. Mater. Med., 28, 114 (2017) *Cover article
[4] David Moreau “Elaboration et caractérisation de films dÂ'hydrogel et de composites hydrogel-céramique pour les applications biomédicales” Thèse de doctorat PSL préparée à Mines-ParisTech, défendue le 21/01/2016
[5] Projet ANR Ligagel2_Closer_To_Bedside (2015-2019).

Contexte

Les hydrogels synthétiques présentent un potentiel considérable pour la réparation des tissus endommagés. Ces matériaux sont des solides élastiques souples formés par un réseau macromoléculaire hydrophile gonflés par l'eau. Ils présentent des propriétés physico-chimiques uniques qui sont très proches de celles des tissus vivants. Cependant, leur faible résistance à des chargements en traction est un frein majeur pour la conception d'implants utilisés en reconstruction tissulaire. Les recherches menées ces dernières années au Centre des Matériaux et à l'Université GeorgiaTech (USA) sur le développement de nouveaux implants ligamentaires ont mis en évidence les propriétés uniques de fibres d'hydrogels ayant des performances en traction très supérieures à celles des hydrogels traditionnels [1,2] ainsi qu'une excellente biocompatibilité [3,4]. L'évaluation préclinique et des validations in vivo pour la reconstruction ligamentaire sont en cours en collaboration avec le laboratoire de Biologie, Bioingénierie et Bioimagerie Ostéoarticulaire (Université Paris Diderot) et l'Institut de Biomécanique Humaine Georges Charpak (ENSAM) [5].

Les assemblages de ces fibres d'hydrogel ont été très peu étudiés jusqu'à présent et des phénomènes originaux sont anticipés lors de l'assemblage ouvrant une nouvelle voie pour concevoir des textiles des comportements mécaniques complexes proches de ceux des tissus biologiques. Ce projet de « thèse open » Mines ParisTech 2019 propose d'étudier ces assemblages de fibres d'hydrogel dans l'idée d'appliquer cette technologie à la conception d'implants souples pour la reconstruction tissulaire. Cette recherche s'inscrit dans le cadre d'une coopération entre le Centre des Matériaux de Mines-ParisTech et le laboratoire Chimie Moléculaire, Macromoléculaire et Matériaux de l'ESPCI Paris, qui vise au développement de systèmes de matière molle apportant de nouvelles solutions pour la pratique clinique.

Encadrement

Directeur de thèse : Laurent CORTE Professeur Mines ParisTech - Centre des Matériaux / ESPCI Paris - Chimie Moléculaire, Macromoléculaire et Matériaux

Profil candidat

Ingénieur et/ou Master recherche - Bon niveau de culture générale et scientifique. Bon niveau de pratique du français et de l'anglais (niveau B2 ou équivalent minimum). Bonnes capacités d'analyse, de synthèse, d'innovation et de communication. Qualités d'adaptabilité et de créativité. Capacités pédagogiques. Motivation pour l'activité de recherche. Projet professionnel cohérent.

Pré-requis (compétences spécifiques pour cette thèse) :
Nous cherchons des candidats ayant une formation en ingénierie ou un master en science des matériaux, physique ou physico-chimie et étant attirés par la recherche expérimentale et la conception de matériaux. Des connaissances en physique des polymères, mécanique, microscopie et modélisation numérique seront très appréciées.

Pour postuler : Envoyer votre dossier à recrutement_these@mat.mines-paristech.fr comportant
• un curriculum vitae détaillé
• une copie de la carte d'identité ou passeport
• une lettre de motivation/projet personnel
• des relevés de notes L3, M1, M2
• 2 lettres de recommandation
• les noms et les coordonnées d'au moins deux personnes pouvant être contactées pour recommandation
• une attestation de niveau d'anglais

Typical profile for a thesis at MINES ParisTech: Engineer and / or Master of Science - Good level of general and scientific culture. Good level of knowledge of French (B2 level in french is required) and English. (B2 level in english is required) Good analytical, synthesis, innovation and communication skills. Qualities of adaptability and creativity. Teaching skills. Motivation for research activity. Coherent professional project.

Prerequisite (specific skills for this thesis): Candidates should hold an Engineer degree or MasterÂ's degree in Materials science, Physics or Physical-chemistry with a strong affinity for experimental research and materials design. A background in polymer physics, mechanics, microscopy and numerical modeling will be highly appreciated

Applicants should supply the following :
• a detailed resume
• a copy of the identity card or passport
• a covering letter explaining the applicantÂ's motivation for the position
• detailed exam results
• two references : the name and contact details of at least two people who could be contacted
• to provide an appreciation of the candidate
• Your notes of M1, M2
• level of English equivalent TOEIC

to be sent to recrutement_these@mat.mines-paristech.fr

Objectif

Le projet s'articulera selon deux axes principaux :
- Axe 1 : Cet axe de recherche plus fondamentale visera la maîtrise et la modélisation du comportement mécanique des assemblages de fibres hydrogels.
- Axe 2 : Ce second axe s'appuiera sur les travaux de caractérisation et de modélisation du premier pour proposer et concevoir des implants souples ayant des fonctions d'intérêt pour la reconstruction tissulaire et la pratique chirurgicale en général.

Références

[1] Corté L., Cantournet S., Detrez F., Ku D.N., Cherkaoui M., Baxter F.R., Bach J.S. Device for tissue repair Patent PCT/FR2011/050108 (2011)
[2] Bach J.S., Detrez F., Cherkaoui M., Cantournet S., Ku D.N., Corté L. Hydrogel fibers for ACL prosthesis: design and mechanical evaluation of PVA and PVA/UHMWPE fiber constructs. J. Biomech., 46 (2013)
[3] Moreau D., Villain A., Bachy M., Proudhon H., Ku D.N., Hannouche D., Petite H., Corté L. In vivo evaluation of the bone integration of coated poly(vinyl-alcohol) hydrogel fiber implants. J. Mater. Sci. Mater. Med., 28, 114 (2017) *Cover article
[4] David Moreau “Elaboration et caractérisation de films d'hydrogel et de composites hydrogel-céramique pour les applications biomédicales” Thèse de doctorat PSL préparée à Mines-ParisTech, défendue le 21/01/2016
[5] Projet ANR Ligagel2_Closer_To_Bedside (2015-2019).

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