Biomatériau créé pour l'impression 3D d'os humains temporaires

Plusieurs vertèbres humaines temporaires imprimées sur une imprimante 3D. Photo: Adam E. Jakus

Des tentatives ont été faites à plusieurs reprises pour créer des matériaux pour l'impression 3D d'os humains temporaires (biomatériaux ostéorégénératifs). Malheureusement, ils souffrent encore d'un certain nombre de lacunes. Parmi eux - l'incapacité à reproduire rapidement et avec précision un nouvel os, le coût élevé et les capacités de production limitées, la complexité du traitement lors d'une opération chirurgicale.

Nouveau biomatériaudépourvu de toutes ces lacunes. Si tous les tests réussissent, dans quelques années, les gens pourront obtenir des os artificiels solides, superélastiques et bon marché qui se biodégraderont dans le corps pendant plusieurs années (ils sont progressivement remplacés par du tissu osseux naturel). La chose la plus intéressante est que le processus d'extrusion d'un matériau à température ambiante, théoriquement, permet l'impression d'os même sur des imprimantes domestiques.

Selon les scientifiques, le nouveau matériau HB (issu d '«os» hyperélastique) est composé à 90% en poids d' hydroxyapatite et à 10% de polycaprolactone .

L'hydroxylapatite Ca ₁₀ (PO ₄ ) ₆ (OH) ₂ est le principal composant minéral des os humains naturels. Dans la plupart des os, il représente environ 50% de la masse totale et dans l'émail des dents - 96%. En médecine, un analogue synthétique est utilisé depuis longtemps en traumatologie, en orthopédie et en chirurgie osseuse comme remplissage qui remplace des parties d'os perdus. En dentisterie, il est également utilisé dans les dentifrices, comme élément reminéralisant qui renforce l'émail des dents.

Mais la polycaprolactone (PCL) est absente dans les matières biologiques. Il s'agit d'un polyester biodégradable utilisé dans l'industrie pour la production de polyuréthanes. Des sacs biodégradables en sont fabriqués. En médecine, le PCL est également utilisé comme matériau de suture et comme implant thermique auto-absorbant à action prolongée (charge), qui a la capacité de stimuler la croissance des tissus fibreux et de reconstituer le volume grâce à ses propres composants. De nombreux comprimés sont libérés dans des gélules de PCL, ils sont absorbés par l'organisme. De plus, le PCL est utilisé dans l'impression 3D de masse comme matériau de prototypage. Le PCL visqueux est de nature similaire à une résine naturelle comme la gutta-percha .

Des expériences ont montré que les os artificiels de cette composition peuvent être rapidement imprimés à température ambiante à une vitesse pouvant atteindre 275 cm ³ / h par extrusion, c'est-à-dire en forçant une masse visqueuse de matière ou une pâte épaisse à travers un trou de formage. Pour créer un mélange visqueux qui est chargé dans l'imprimante, un solvant spécial est utilisé.

L'impression de l'implant avec la méthode d'extrusion à température ambiante traditionnelle est un grand avantage car d'autres implants osseux sont créés à haute température à l'aide de lasers, explique Ramille Shah, auteur principal du document et chef d'équipe à la Northwestern University (USA) . Les chercheurs eux-mêmes au cours des expériences ont utilisé une imprimante disponible dans le commerce.Système de bioploteur 3D fabriqué par EnvisionTec. Cet appareil peut être acheté à des prix allant de 250 000 $ à 300 000 $.

Bien sûr, à la maison, une telle imprimante serait un achat trop cher. Mais chaque hôpital ou centre chirurgical peut bien se le permettre. En principe, même les particuliers peuvent acheter un seau de ces imprimantes et imprimer de nouveaux os pour eux-mêmes ou leurs animaux de compagnie si nécessaire (bien sûr, il est conseillé de consulter un chirurgien professionnel pour une opération).


EnvisionTEC 3D-Bioplotter

Les os artificiels présentent de bonnes propriétés mécaniques: déformation à rupture (déformation à rupture) de 32% à 67%, module élastique de 4 à 11 MPa. Ainsi, c'est un matériau élastique et durable. Il se caractérise également par un pouvoir absorbant élevé (porosité 50%), favorise la viabilité et la prolifération des cellules vivantes. Des tests ont montré que le matériau n'interfère pas avec la formation de cellules de moelle osseuse à partir de cellules souches mésenchymateuses.

Jusqu'à présent, la biocompatibilité de l'HB n'a été testée que sur des animaux de laboratoire, mais ces expériences ont été très prometteuses. Les implants sous-cutanés chez la souris n'ont pas provoqué de rejet dans les 7 à 35 jours. Chez le rat, une greffe osseuse a été installée dans la partie postéro-latérale de la colonne vertébrale (fusion vertébrale postéro-latérale) pendant 8 semaines, la formation de nouveau tissu osseux a été enregistrée. A également mené une expérience sur le primate avec des dommages au crâne (4 semaines).

Au cours de toutes les expériences, l'HB n'a pas provoqué de réponse immunitaire négative. En même temps, une vascularisation normale (formation vasculaire) a été notée, l'os artificiel s'est rapidement intégré dans les tissus environnants, s'est rapidement ossifié et a soutenu la croissance de nouveaux tissus osseux sans intervention supplémentaire. On suppose que, comme la biodégradation du matériau a lieu, sa place sera occupée par des tissus osseux naturels vivants avec des vaisseaux sanguins.

Il est important de noter que, malgré toute sa résistance et son élasticité, le nouveau matériau n'est ni cassant ni cassant, comme beaucoup d'autres implants. Autrement dit, le chirurgien peut couper un morceau d'os artificiel sans formation de fragments - c'est un problème courant avec d'autres implants.

Les chercheurs espèrent obtenir la permission de commencer des essais humains dans les cinq ans. Il n'existe actuellement aucun matériau d'impression 3D approuvé par les autorités réglementaires aux États-Unis en tant que matériau osseux régénératif. HB peut être le premier.

Les travaux scientifiques ont été publiés le 28 septembre 2016 dans la revue Science Translational Medicine (doi: 10.1126 / scitranslmed.aaf7704).

Source: https://habr.com/ru/post/fr398027/