Un nouveau matériau synthétique promet de bousculer le monde des implants osseux
Publié par Isabelle le 27/06/2019 à 14:14
Source: CNRS IN2P3
Une équipe du Laboratoire de physique de Clermont-Ferrand (LPC) a développé un nouveau matériau conçu et optimisé pour servir d'implant osseux "régénérant". Une innovation qui doit beaucoup à l'usage des techniques d'analyse par faisceaux d'ions développées au sein de l'IN2P3 (L'Institut national de physique nucléaire et de physique des particules (IN2P3) est un institut de recherche fondamentale du CNRS dont le domaine de recherche est comme son nom l'indique la physique nucléaire et des particules. Il...). En début d'année (Une année est une unité de temps exprimant la durée entre deux occurrences d'un évènement lié à la révolution de la Terre autour du Soleil.) le laboratoire a signé un accord de partenariat industriel avec la PME clermontoise spécialiste des implants osseux OST-Développement.


Structure poreuse interconnectée des implants hybrides à base de bioverre et polycaprolactone apte à recevoir l'invasion tissulaire et à la circulation des cellules (vue au microscope électronique). / Image LPC

Ce que propose le groupe biomatériaux du Laboratoire de Physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général...) de Clermont-Ferrand (LPC) fait figure de petite révolution dans l'univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) des implants osseux: utiliser du bio-verre en guise d'implant ! Ce matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en raison de propriétés particulières et...), totalement synthétique, fragile et composé de silice (La silice est constituée de dioxyde de silicium, un composé chimique qui entre dans la composition de nombreux minéraux ; sa formule est SiO2.) comme le verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile (cassant) et transparent au rayonnement visible. Le plus souvent, le verre est constitué...) de nos fenêtres n'avait a priori aucune raison de faire l'affaire. Mais les chercheurs y ont vu tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) autre chose: un matériau biocompatible et bioactif, capable de se dissoudre naturellement dans les tissus vivants tout en lui apportant des composés indispensables à sa régénération. Restait à trouver un moyen de le solidifier, et d'en modifier la composition pour en décupler les pouvoirs régénérateurs. Là était tout le défi.


Mousse de bioverre fabriquée au LPC. La structure poreuse est destinée à assurer la libre circulation des cellules et fluides biologiques, ainsi qu'à être envahie par le tissu osseux néoformé. / Image LPC.

Bio-verre hybride macroporeux

Pour transformer l'essai, les chercheurs ont exploité la plateforme de l'IN2P3 AIFIRA hébergée au Centre d'Etudes Nucléaires de Bordeaux Gradignan (CENBG), qui permet de sonder la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière occupe de...) comme aucune autre. AIFIRA délivre des faisceaux d'ions de faible énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) qui traversent les échantillons, induisant ionisation (L'ionisation est l'action qui consiste à enlever ou ajouter des charges à un atome ou une molécule. L'atome - ou la molécule - en perdant ou en gagnant des charges n'est plus neutre électriquement. Il est alors...) ou réactions nucléaires. L'analyse des rayonnements caractéristiques induits par ces interactions révèle la nature des atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement...) heurtés, et permet ainsi de reconstituer par balayage la composition chimique de l'échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou d'une solution. Le mot est utilisé dans différents domaines :). "AIFIRA nous donne une véritable cartographie (La cartographie désigne la réalisation et l'étude des cartes géographiques. Le principe majeur de la cartographie est la représentation de données sur un support réduit représentant un...) chimique de l'échantillon, nous révélant les atomes en présence et même leur concentration sur des zones aussi précises qu'un micron" précise Jonathan Lao, maître de conférences au LPC.



Cartographie chimique par faisceaux de protons (méthode PIXE, plateforme AIFIRA du CENBG) de la distribution du phosphore (P), silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.) (Si), calcium (Ca), magnésium (Mg) dans une section transverse de bioverre mis en contact 7 jours (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil...) avec du liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) physiologique: la formation d'une couche riche en calcium et phosphore est mise en évidence, qui va servir de site privilégié pour l'adhésion (En physique, l'adhésion est l'ensemble des phénomènes physico-chimiques qui se produisent lorsque l’on met en contact intime deux matériaux, dans le but de créer une...) et la minéralisation des cellules osseuses et la liaison avec les tissus osseux environnants. / Image LPC


Avec cet outil (Un outil est un objet finalisé utilisé par un être vivant dans le but d'augmenter son efficacité naturelle dans l'action. Cette augmentation se traduit par la simplification des actions entreprises, par une plus grande...) les chercheurs ont patiemment testé de multiples compositions de bio-verres. Ajoutant des oligoéléments comme le strontium ou le zinc (Le zinc (prononciation /zɛ̃k/ ou /zɛ̃ɡ/) est un élément chimique, de symbole Zn et de numéro atomique 30.), naturellement présents dans l'os, pour intégrer l'effet stimulant (Un stimulant est une substance qui augmente l'activité du système nerveux sympathique facilitant ou améliorant certaines fonctions de l'organisme. Parmi les...), mélangeant un second matériau en polymère synthétique pour renforcer la tenue du matériau. Ainsi de suite jusqu'à obtenir la recette d'un bio-verre hybride macroporeux et dopé qu'ils ont finalement protégée avec 3 brevets.


Implant osseux hybride à base de bioverre et polycaprolactone utilisé pour le comblement dentaire et breveté par le LPC. / Image LPC.

Cicatrisation 2 fois plus rapide

"Quand notre bio-verre est utilisé pour combler un défaut osseux, il se résorbe progressivement." Explique Edouard Jallot, professeur au LPC en charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un...) du développement de ces matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.). "Ses ions calcium s'associent avec les ions phosphates de l'organisme pour former des cristaux de phosphates de calcium. Ces cristaux s'associent alors à du collagène (Le collagène est une glycoprotéine fibreuse dont le rôle peut être comparé à une armature. C’est la protéine la plus abondante de l’organisme. Il est secrété par les cellules des tissus conjonctifs. ...) et reforment de l'os à la place du bio-verre." Ainsi, en quelques mois (Le mois (Du lat. mensis «mois», et anciennement au plur. «menstrues») est une période de temps arbitraire.), un petit implant de bio-verre aura totalement disparu, remplacé par de l'os tout neuf. Mieux encore, une première évaluation a montré qu'avec le matériau du LPC la cicatrisation était 2 fois plus rapide qu'avec les procédés courants.


Suivi au microscanner à rayons X de la régénération osseuse dans un défaut comblé avec un hybride à base de bioverre et polycaprolactone (à gauche post-implantation, au milieu après 1 mois, à droite après 3 mois), l'os est en blanc. / Image LPC.


On le comprend, le bio-verre hybride de l'équipe clermontoise est une alternative très sérieuse aux procédés actuels de réparation osseuse en chirurgie (La chirurgie est une technique médicale consistant en une intervention physique sur les tissus, notamment par incision et suture. Un médecin spécialisé dans cette...) dentaire ou en chirurgie orthopédique. Notamment aux procédés les plus courants à base d'os animal (Un animal (du latin animus, esprit, ou principe vital) est, selon la classification classique, un être vivant hétérotrophe, c’est-à-dire qu’il se nourrit de substances...) ou humain et qui souffrent du risque de véhiculer des agents infectieux. Il a également vocation à surclasser les produits artificiels, comme les phosphates de calcium synthétiques, qui se dégradent moins vite et surtout n'ont pas de comportement bioactif.


Comparaison entre la porosité d'un implant hybride à base de bioverre (à gauche) et celle de l'os trabéculaire (à droite). / Image LPC.

Une commercialisation d'ici 2022

En septembre dernier la PME clermontoise OST-Développement, spécialiste des implants osseux a racheté les brevets. Elle a par ailleurs signé un programme de transfert industriel au mois de janvier en vertu duquel elle va, avec l'aide de l'équipe biomatériaux du LPC, amener le bio-verre hybride en phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) de commercialisation d'ici 2022. Dans un premier temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.), les implants seront proposés aux chirurgiens-dentistes pour la reconstitution osseuse des mâchoires en vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) d'y fixer des implants dentaires. A terme, les chercheurs espèrent aussi investir le terrain de la chirurgie orthopédique. Une belle success-story interdisciplinaire (Un travail interdisciplinaire intègre des concepts provenant de différentes disciplines.) dont on reparlera.

Pour aller plus loin:
J. Lao, X. Dieudonné, F. Fayon, V. Montouillout, E. Jallot.
Bioactive glass-gelatin hybrids: building scaffolds with enhanced calcium incorporation and controlled porosity for bone regeneration.
Journal of Materials Chemistry B, 4 (14): 2486-2497 (2016).

Contact:
- Emmanuel Jullien - Chargé de communication (Le chargé de communication développe des actions de communication vers des publics variés en cohérence avec la stratégie générale de l’établissement. Il met en œuvre tout moyen, action, réseau...). communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle, groupale...) que l'animal (communication intra- ou inter- espèces) ou la machine...) at in2p3.fr
- Edouard Jallot - Professeur à l'université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission...) Clermont Auvergne. Laboratoire de Physique de Clermont.
edouard.jallot at clermont.in2p3.fr
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