Un biomatériau prometteur pourrait améliorer la régénération osseuse

Cet article a été initialement publié dans le Northwestern University Feinberg School of Medicine News Center.

Une équipe de recherche de la Northwestern University a développé une encre imprimable en 3D qui produit un implant osseux synthétique qui induit rapidement la régénération et la croissance osseuse. Ce matériau osseux hyper-élastique est facilement personnalisable à différentes formes et pourrait un jour être particulièrement utile dans le traitement des défauts osseux chez les enfants.

La chirurgie d’implantation osseuse n’est jamais un processus facile, mais elle est particulièrement douloureuse et compliquée pour les enfants. Chez les adultes comme chez les enfants, l’os est souvent prélevé ailleurs dans le corps pour remplacer l’os manquant, ce qui peut entraîner d’autres complications et douleurs. Des implants métalliques sont parfois utilisés, mais ce n’est pas une solution permanente pour les enfants en pleine croissance.

« Les adultes ont plus d’options en matière d’implants », a déclaré Ramille Shah, PhD, professeur adjoint de chirurgie à la division de transplantation d’organes de la Northwestern University Feinberg School of Medicine et de la science et de l’ingénierie des matériaux à la McCormick School of Engineering. « Les patients pédiatriques ne le font pas. Si vous leur donnez un implant permanent, vous devrez faire plus de chirurgies à l’avenir à mesure qu’ils grandissent. Ils pourraient faire face à des années de difficultés.

Shah et son équipe visent à changer la nature des implants osseux, et ils veulent particulièrement aider les patients pédiatriques. Adam Jakus, PhD, boursier postdoctoral dans le laboratoire de Shah, est le premier auteur de l’étude, qui a évalué le matériel avec des cellules souches humaines et dans des modèles animaux.

Le biomatériau imprimé en 3D de Shah est un mélange d’hydroxyapatite (un minéral de calcium naturellement présent dans les os humains) et d’un polymère biocompatible et biodégradable. Le matériau est majoritairement de l’hydroxyapatite, mais il est hyper-élastique, robuste et poreux aux niveaux nano, micro et macro. Ces propriétés uniques ont contribué à la grande promesse de la structure imprimée dans les modèles animaux in vivo.

« La porosité est énorme en ce qui concerne la régénération des tissus, car vous voulez que les cellules et les vaisseaux sanguins s’infiltrent dans l’échafaudage », a déclaré Shah. « Notre structure 3D a différents niveaux de porosité qui profitent à ses propriétés physiques et biologiques. »

Bien qu’il ait été prouvé que l’hydroxyapatite induisait la régénération osseuse, il est également notoirement difficile de travailler avec. Les produits cliniques qui utilisent de l’hydroxyapatite ou d’autres céramiques de phosphate de calcium sont durs et cassants. Pour compenser cela, les chercheurs précédents ont créé des structures composées principalement de polymères, mais cela protège l’activité de la biocéramique. Le biomatériau osseux de Shah, cependant, est composé à 90% en poids d’hydroxyapatite et à seulement 10% en poids de polymère, et il conserve toujours son élasticité en raison de la façon dont sa structure est conçue et imprimée. La forte concentration d’hydroxyapatite crée un environnement qui induit une régénération osseuse rapide.

« Les cellules peuvent détecter l’hydroxyapatite et répondre à sa bioactivité », a déclaré Shah. « Lorsque vous mettez des cellules souches sur nos échafaudages, elles se transforment en cellules osseuses et commencent à réguler à la hausse leur expression de gènes spécifiques aux os. Ceci en l’absence de toute autre substance ostéoinductrice. C’est juste l’interaction entre les cellules et le matériau lui-même.

Cela ne veut pas dire que d’autres substances ne pourraient pas être combinées dans l’encre. Étant donné que le processus d’impression 3D est effectué à température ambiante, l’équipe de Shah a pu incorporer d’autres éléments, tels que des antibiotiques, dans l’encre.

« Nous pouvons incorporer des antibiotiques pour réduire le risque d’infection après la chirurgie », a déclaré Shah. « Nous pouvons également combiner l’encre avec différents types de facteurs de croissance, si nécessaire, pour améliorer encore la régénération. C’est vraiment un matériau multifonctionnel.

L’un des plus grands avantages, cependant, est que le produit final peut être personnalisé pour le patient. Dans les chirurgies de greffe osseuse traditionnelles, l’os – après avoir été prélevé sur une autre partie du corps – doit être façonné et moulé pour s’adapter exactement à la zone où il est nécessaire. En utilisant le matériau synthétique de Shah, les médecins pourraient scanner le corps du patient et imprimer en 3D un produit personnalisé. Alternativement, en raison de ses propriétés mécaniques, le biomatériau peut également être facilement coupé et coupé à la taille et à la forme au cours d’une procédure. Non seulement c’est plus rapide, mais aussi moins douloureux par rapport à l’utilisation de matériel d’autogreffe.

Shah imagine que les hôpitaux pourraient un jour disposer d’imprimantes 3D, où des implants personnalisés pourraient être imprimés pendant que le patient attend.

« Le délai d’exécution d’un implant spécialisé pour un client peut être de 24 heures », a déclaré Shah. « Cela pourrait changer le monde de la chirurgie craniofaciale et orthopédique et, je l’espère, améliorera les résultats pour les patients. »