Cute bones 3D: matériau osseux hyperélastique pour les défauts du crâne en plastique

Nous en avons environ 205, au total, ils pèsent environ 5-6 kg et tous les 10 ans, ils sont complètement mis à jour au niveau cellulaire. Et il y a une expression idiomatique déclarant que tout le monde l'a dans le placard. Il s'agit bien sûr du squelette et des os qui le composent. La blessure osseuse est l'une des blessures les plus courantes au monde. Parfois, ces blessures ne nécessitent pas de traitement osseux, mais son remplacement. La transplantation osseuse est associée à un certain nombre de dangers pour le patient, notamment la douleur, l'infection, les saignements, les dommages aux tissus conjugués, etc.

Certains scientifiques pensent que la clé d'une transplantation osseuse réussie réside dans l'utilisation d'os imprimés, qui seront idéaux pour un patient particulier et qui seront exempts de défauts. Comment les scientifiques ont-ils imprimé les os, ce qui a été appliqué pour cela et quels résultats l'opération d'implantation sur un rat a-t-elle montré? Nous en apprenons à travers le rapport du groupe de recherche. Allons-y.

Base d'étude

Les méthodes de traitement des lésions osseuses n'ont pas beaucoup changé depuis l'Antiquité. Les scientifiques ont même analysé 36 squelettes de Néandertal qui présentaient des signes de fractures. Parmi ceux-ci, seulement 11 traitements de ces blessures peuvent être considérés comme infructueux.

Cependant, un tel succès de traitement à tout moment ne s'applique pas à tous les types de fractures. Certaines blessures ont été traitées avec succès et sans conséquences, même avec un équipement médical moderne, des connaissances et des techniques suffisantes.

À l'heure actuelle, les allogreffes ou les matériaux alloplastiques sont souvent utilisés en transplantologie osseuse.

Allotransplantation * - une greffe d'organe de personne à personne (d'un individu d'une espèce d'un individu de la même espèce).

Ces méthodes sont assez avancées, mais pas omnipotentes. Les défauts craniomaxillofaciaux (origine congénitale, oncologique ou traumatique) sont assez complexes. Dans de tels cas, des implants spécifiques à un patient particulier sont nécessaires. Par conséquent, ils ne peuvent pas être prélevés sur le donneur, mais doivent être fabriqués. Dans de tels cas, la cranioplastie est utilisée, mais l'implant n'aura pas de régénération et ne se développera pas avec les autres os du patient. On utilise également une matrice osseuse spongieuse, déminéralisée, des copeaux d'os synthétiques ou des mastics osseux, qui remplissent la zone du défaut. Mais ces matériaux ne sont pas poreux et ont une porosité liée limitée. De ce fait, la migration cellulaire de surface et la vascularisation (vascularisation) des cellules sont réduites, ce qui peut conduire à une encapsulation * plutôt qu'à une intégration tissulaire. En conséquence, le risque d'infection est considérablement augmenté.

Encapsulation * - la formation d'une capsule autour d'un corps étranger dans le corps.

Les chercheurs suggèrent d'utiliser l'impression tridimensionnelle, car cette méthode vous permet de fabriquer un implant peu coûteux qui s'adaptera idéalement à un défaut spécifique chez un patient particulier.

Les chercheurs notent également que, dans l'impression biomédicale tridimensionnelle, il existe jusqu'à présent un manque de matériaux haute performance qui combineront facilité de fabrication, utilisation en impression et fonctionnalité biologique. Et cela signifie que vous devez naturellement créer votre propre matériel.


Os hyperélastique

Et le nom de ce nouveau matériau est «os hyperélastique» (matériau osseux hyperélastique). Ce matériau ostéorégénératif est fabriqué par extrusion à température ambiante d'hydroxyapatite (solide, 90% de la masse totale) et de poly (acide glycolique lactique) (liquide, 10% de la masse totale) en formes tridimensionnelles sans besoin de frittage * , durcissement * ou autres formes de stabilisation physique et chimique.

Le frittage * est le processus de fabrication de matériaux solides et poreux à partir d'une poudre fine à des températures élevées et / ou à haute pression.

Le durcissement * est un processus irréversible de conversion d'oligomères réactifs liquides et (ou) de monomères en polymères réticulés solides, non fondants et insolubles.

Le cadre imprimé en trois dimensions résultant a une bonne élasticité et une absorption élevée. En outre, le cadre induit une différenciation ostéogénique * de la moelle osseuse dérivée de cellules souches mésenchymateuses humaines sans ajout de catalyseurs ostéoinductifs.

Différenciation cellulaire * - le processus de formation d'un phénotype spécialisé d'une cellule qui affiche ses fonctions. Exagéré, l'emploi de cellules, qui auparavant n'avaient pas la profession exacte.

Dans le même temps, l'os hyperélastique n'a pas provoqué de réponse immunitaire négative, s'est vascularisé et intégré aux tissus environnants, favorisant la croissance du nouvel os. Une autre réalisation est la capacité de transférer des cellules souches grasses humaines transduites à travers un implant imprimé.

Ensuite, nous examinerons de plus près les résultats du test pratique. Les scientifiques ont effectué une analyse comparative de la capacité ostéorégénérative de l'os hyperélastique et d'une variante commerciale (os autologue) présentant des défauts de taille critique chez le rat. Mais d'abord, un peu sur la préparation de l'expérience et la façon dont le matériel d'essai et l'implant ont été fabriqués.

Fabrication d'os hyperélastique

Comme nous le savons déjà, la charpente osseuse hyperélastique était constituée d'hydroxyapatite et de poly (acide glycolique lactique).


Imprimante BioPlotter

Tous les échantillons ont été imprimés à l'aide de l'imprimante BioPlotter Manufacturing d'EnvisionTEC. L'épaisseur des feuilles (5x5 cm), constituées de 5 couches de 120 µm chacune, s'élève à un total de 0,6 mm. Ensuite, des ébauches rondes (8 mm de diamètre) ont été extraites des feuilles à l'aide d'un stylet de biopsie. Les blancs résultants ont été lavés et stérilisés.


Image # 1: processus de fabrication des implants.

Opération d'implantation

Des rats Sprague-Dawley de laboratoire, mâles pesant environ 500 grammes chacun, ont été utilisés comme sujets expérimentaux.

Pendant l'opération, les sujets étaient sous anesthésie générale (2% d'isoflurane / 100% d'oxygène). Une incision sagittale (1,5 cm) a été pratiquée entre les sutures lambdoïde et coronale pour exposer le crâne. À l'aide d'une perceuse à main avec un trépan (une aiguille avec un moulin ou une perceuse pour former des trous dans les tissus denses), un défaut de crâne artificiel de 8 mm de diamètre a été créé.

Les sujets ont été divisés en 4 groupes:

• 7 individus - groupe témoin négatif (sans implant sur le défaut);
• 6 individus - groupe témoin positif (avec os autologue comme implant);
• 6 individus - groupe d'étude n ° 1 (avec un cadre de poly (acide lactique-glycolique) comme implant);
• 10 individus - groupe d'étude n ° 2 (avec os hyperélastique comme implant).

Après l'implantation (avec ou sans), le périoste et la peau ont été fermés à l'aide d'une suture absorbable mobile et des analgésiques ont été administrés aux sujets expérimentaux. Les sujets ont été maintenus dans des cellules en deux. L'accès à l'eau et à la nourriture était illimité.

Des échantillons de crâne ont été analysés par tomodensitométrie à faisceau conique. Les zones d'intérêt ont été excisées des os du crâne, placées dans de l'éthanol à 70% et scannées à l'aide d'un tomographe à micro-ordinateur. Ensuite, à l'aide d'un logiciel d'analyse d'imagerie médicale (Mimics Medical 19.0), les scientifiques ont examiné plus en détail les zones du crâne où les implants ont été implantés.

Après tomodensitométrie, les échantillons ont été coupés en deux pour l'analyse histologique et visualisés en microscopie électronique à balayage. Une évaluation a également été faite du degré de régénération après 8 et 12 semaines.

Et maintenant, nous passons directement aux résultats des observations.

Résultats de recherche

Image n ° 3a: gris - avec un os autologue; noir - sans implant; bleu - avec un implant en poly (acide lactique-glycolique); rouge - avec os hyperélastique.

L'image ci-dessus ( 3a ) montre des reconstructions tridimensionnelles du faisceau conique et de la tomographie micro-calculée. La quantité de tissu osseux régénéré a été déterminée par la quantité d'os minéralisé en tant que fraction du volume total de tissu d'intérêt. Le volume osseux par fraction du volume total pour l'os hyperélastique, le poly (acide lactique-glycolique) et pour le groupe témoin négatif a été normalisé par rapport au volume osseux par fraction du volume total pour le groupe témoin positif (avec os autologue). Ainsi, une analyse comparative des indicateurs de performance de toutes les options d'implants a été réalisée.


Image # 3b

Le faisceau conique et la tomodensitométrie ont montré une augmentation de la quantité de matrice osseuse minéralisée dans les défauts traités avec des implants osseux hyperélastiques ( 3b ).

Selon la tomographie à faisceau conique, le volume d'os minéralisé dans le cas de l'utilisation d'un implant osseux hyperélastique était de 55,7% à 8 semaines et de 57,0% à 12 semaines d'observation. Selon la tomodensitométrie, 36,1% à la semaine 8 et 37,1% à la semaine 12 des observations. Ce sont des données avant normalisation.

Après cela, la normalisation a été effectuée sur les indicateurs du volume d'os minéralisé dans le cas de transplantations autologues. Maintenant, il est devenu clair que le volume de régénération à l'aide d'os hyperélastique était de 95,6% et 82,0% (8e et 12e semaine d'observation) du volume du groupe témoin positif (avec os autologue). Et la tomodensitométrie a donné les résultats suivants: 74,2% et 64,5% (8e et 12e semaine d'observations).

L'utilisation exclusive de poly (acide lactique-glycolique) comme matériau d'implantation s'est avérée assez inefficace: 16,6% et 22,5% (8e et 12e semaine d'observation) du groupe témoin positif. L'inefficacité de cette méthode est également confirmée par le fait que ses résultats ne diffèrent pas significativement des résultats du groupe témoin négatif, qui n'avait pas d'implants du tout: 10,3% et 13,8% en tomographie à faisceau conique et 14,5% et 19,5% en tomodensitométrie micro.

La comparaison des résultats du nouveau matériel testé (os hyperélastique) avec les résultats du groupe témoin négatif a montré une différence de volume d'os minéralisé de 7,81 fois à 8 semaines et de 5,75 fois à 12 semaines en faveur de l'os hyperélastique.

Ainsi, en termes de volume de régénération, l'utilisation d'os hyperélastique est pratiquement comparable à l'utilisation de variantes d'implants commerciaux avec os autologue.


Image n ° 4: flèches - bord défectueux; Ft - tissu fibreux (fibreux); Mc est un composant membrane-cellule; Nb est le nouvel os.

L'analyse histologique réalisée n'a confirmé que les données du faisceau conique et de la tomodensitométrie. Les scientifiques ont identifié les bords des défauts et la formation d'un nouvel os a été spécialement colorée à l'éosine pour une meilleure visualisation.

Dans le cas du groupe témoin négatif, du tissu fibreux a été observé, mais la formation d'un nouvel os était minime (rangée supérieure de l'image n ° 4). Les échantillons contenant du poly (acide glycolique lactique) ne pouvaient pas non plus se vanter d'un grand volume d'os nouvellement formé (troisième rangée).

Mais les échantillons où l'os hyperélastique a été appliqué ont montré au contraire la formation de tissu osseux minéralisé à la surface des bords des défauts (4ème rangée). À la 8e semaine d'observations, aux endroits des défauts, des tissus fibreux et des composants membrane-cellules apparaissent à l'intérieur de l'implant, et à la 12e semaine, la formation d'un nouvel os autour des éléments du cadre de l'implant commence.


Image n ° 5

Et enfin, l'analyse d'images SEM (microscope électronique à balayage) d'échantillons avec de l'os hyperélastique à 12 semaines d'observation a montré la formation d'un contact cellulaire étroit des tissus avec le matériau à l'intérieur de l'implant.

Pour une connaissance plus détaillée des nuances de l'étude, je vous recommande de consulter le rapport des scientifiques .

Épilogue

Dans ce travail, les scientifiques ont démontré un nouveau type de biomatériaux ostéogéniques qui permettent la création d'implants pour le traitement des défauts osseux. Les scientifiques appellent les caractéristiques les plus importantes de leur idée originale: facilité d'implantation, facilité de fabrication, haute efficacité, faible coût de production et personnalisation de l'implant pour un patient particulier.

L'os hyperélastique est vraiment très flexible et peut prendre la forme nécessaire à la fois au cours du processus de fabrication et au moment de l'implantation, ce qui facilite grandement ce processus. Les implants en céramique et en polymère-céramique ne peuvent pas s'en vanter.

Mais même ce n'est pas l'avantage le plus important. Un degré élevé de régénération osseuse et de survie des implants est beaucoup plus important. 4 semaines après l'implantation, un processus actif de minéralisation osseuse commence.

Les scientifiques notent également qu'une telle vitesse et efficacité sont extrêmement importantes dans le cas de défauts suffisamment importants (comme cela a été démontré lors d'expériences pratiques).

L'utilisation d'une telle technologie peut grandement simplifier la vie des médecins et des patients. L'individualité du traitement, la vitesse de production, l'implantation et une récupération rapide sans effets secondaires - c'est une excellente publicité pour la nouvelle technologie. À l'avenir, les scientifiques ont l'intention de mener plusieurs autres expériences, d'étudier plus en détail le processus de régénération et d'améliorer leur invention.

Cependant, il convient de noter que la présence de telles innovations ne signifie pas que vous pouvez casser les os à gauche et à droite. Personne n'a donc annulé les règles de sécurité.



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