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Régénération de tissus osseux endommagés

Un biomatériau hybride innovant pour la régénération tissulaire mis au point grâce à la collaboration de plusieurs équipes de recherche clermontoises (UCA - CNRS - Inra)

Cellules osseuses observées en microscopie par fluorescence à la surface d’un biomatériau hybride poreux. © Inra, Henri Granel
Mis à jour le 15/01/2019
Publié le 08/01/2019

Les verres ont été parmi les premiers matériaux bioactifs étudiés. Ils ont notamment la capacité d’interagir avec les fluides organiques et de se lier à l’os. Ils sont également connus pour stimuler la régénération osseuse.

Cependant leur fragilité restreint leur domaine d’application. La combinaison de verres bioactifs et de polymères plastiques permet de pallier ces restrictions, mais les procédés de fabrication connus restaient compliqués et non optimisés.

Dans un premier temps un nouveau procédé permettant de synthétiser à température ambiante des supports 3D (le terme technique est « scaffold ») de verre bioactif et de polymère  (= futurs implants) a été mis au point par le laboratoire Laboratoire de Physique Corpusculaire à Clermont-Ferrand (LPC, UCA-CNRS). Le matériau obtenu, plus souple en raison de sa teneur en polymère et donc moins cassant, a été caractérisé par le groupe de recherche « Ostéo-articulaire » de l'Unité de Nutrition Humaine (UNH, Inra-UCA) pour sa biocompatibilité et ses propriétés ostéoinductives. Il a été également implanté pour un test sur un modèle chirurgical de défaut osseux murin.

Une structure 3D poreuse biocompatible

Les études réalisées dans le cadre de deux thèses, conduites en tandem et financées par le FEDER, ont montré que le matériau hybride n’altère pas la prolifération des ostéoblastes primaires de rat (ou cellules osseuses) et que ces cellules sont capables d’adhérer à sa surface. Les résultats obtenus ont également mis en évidence les propriétés ostéo-inductrices du matériau. Enfin, in vivo, l’équipe a pu observer une reconstruction tissulaire minéralisée spécifiquement en présence du nouveau matériau hybride après seulement 1 mois d’implantation.

En résumé, ce bioverre hybride poreux permet : la recolonisation cellulaire / la vascularisation / la formation de nouveaux tissus osseux. Il est constitué de 70% de polymère (polycaprolactone) et de 30% de bioverre (combinaison de silice et de calcium). Le procédé de synthèse permet d’obtenir une structure tri-dimensionnelle grâce à des billes de paraffine qui sont dans un second temps ôtées laissant place à une porosité interconnectée (structure « en mousse » ). Le polymère étant synthétique, il est hautement disponible, de plus il est déjà beaucoup étudié dans le domaine de la régénération tissulaire osseuse.

Le matériau implanté in vivo, sur des temps plus longs (quelques mois), est remplacé progressivement  par du tissu osseux nouveau, la porosité permettant la vascularisation précoce du tissu.

La stimulation de la régénération osseuse par des nutriments est possible

Par ailleurs, le procédé de synthèse mis au point par le LPC « à température ambiante » permet un dopage organique incorporé : la température ambiante permet en effet de conserver les propriétés de molécules fragiles au cours du procédé de synthèse. La régénération osseuse peut en être ainsi stimulée par différents composés ostéoinducteurs, directement incorporés dans le biomatériau, notamment certaines molécules naturelles d’origine alimentaire comme les polyphénols. Ce travail mené par les chercheurs de l'UNH a donné lieu au dépôt d’un brevet (Inra-UCA-CNRS / n°FR1860557 dopage en nutriments ostéoinducteurs).

Ces résultats incitent à poursuivre  le développement de ce matériau pour une prochaine application clinique. Un partenariat s’engage d’ailleurs avec OST Développement (Entreprise clermontoise) pour réaliser une mise à l’échelle industrielle du procédé de fabrication.

La thèse d’Henri Granel conduite dans le cadre de collaboration entre l'Unité de Nutrition Humaine et le Laboratoire de Physique Corpusculaire, porte sur la caractérisation biologique de matériaux organiques et inorganiques hybrides polycaprolactone/bioverre destinés à la régénération tissulaire osseuse. Elle sera soutenue le 30 janvier 2019 à l’INRA site de Theix.

Biomatériau hybride observé au microscope électronique à balayage. Vue de gauche : structure générale ; vue de droite : cellules osseuses adhérant aux parois du biomatériau. © Inra, Brigitte Gaillard-Martinie
Biomatériau hybride observé au microscope électronique à balayage. Vue de gauche : structure générale ; vue de droite : cellules osseuses adhérant aux parois du biomatériau © Inra, Brigitte Gaillard-Martinie