Os artificiels: les scientifiques les plus récents en matière d'impression 3D

Les scientifiques ont des nouvelles intéressantes sur les progrès réalisés dans le domaine des "pièces de rechange" humaines. "

Il sera bientôt possible de remplacer les os humains endommagés par des os synthétiques personnalisés créés sur une imprimante 3D.

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Cet os "hyperélastique" sera produit avec une "encre" faite à partir d'un calcium naturel présent dans l'os humain.

Dans une avancée significative par rapport aux méthodes actuelles, les scientifiques disent que les os imprimés sur commande pourraient rapidement induire la régénération et la croissance osseuse.

Cela pourrait rendre les procédures médicales plus efficaces, moins douloureuses et plus durables.

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Les applications pourraient inclure la réparation de lésions cranio-faciales, dentaires, spinales et autres lésions osseuses et de médecine sportive.

Des scientifiques de la Northwestern University ont publié leurs résultats le mois dernier dans la revue Science Translational Medicine.

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Aider les enfants

Ramille Shah, Ph. D., qui dirigeait l'équipe de recherche, est professeur adjoint de science et d'ingénierie des matériaux à la McCormick School of Engineering de Northwestern et professeur adjoint de chirurgie à la Feinberg School of Medicine de Northwestern.

Shah décrit l'os hyperélastique comme «un biomatériau hautement polyvalent, sans facteur de croissance, ostéorégénératif, évolutif et adapté aux chirurgies. "

Les scientifiques ont créé un os hyperélastique pour effectuer une fusion vertébrale chez un rat et réparer un défaut du crâne chez un singe rhésus. Les essais sur les animaux vont continuer.

Shah et son équipe pensent que les essais humains de leur os synthétique pourraient commencer dans les cinq ans.

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Shah, qui dirige le laboratoire d'ingénierie tissulaire et de fabrication additive Shah à Northwestern, a déclaré dans une interview de Healthline que le but de son équipe de scientifiques et de cliniciens était de développer un biomatériau imprimable 3D pour les tissus osseux. régénération chez les enfants. "

Les patients pédiatriques souffrant de défauts osseux résultant d'un traumatisme ou d'un accouchement pourraient bénéficier de manière significative de cette technologie.

"Les chirurgiens actuels des matériaux utilisent pour les défauts craniofaciaux sont des plaques métalliques et des vis, et des polymères, mais pas dégradables, pour le travail du visage", a déclaré Shah. "La première façon maintenant est de prendre des morceaux d'os des côtes ou des hanches du patient et de faire une" auto-greffe "- forme les pièces pour s'adapter à l'espace de défaut qu'ils veulent remodeler. Mais cette méthode peut causer des problèmes ailleurs dans le corps. Les auto-greffes sont utilisées en particulier chez les enfants, car vous ne voulez pas utiliser des «corps étrangers» chez les patients pédiatriques. "

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La chirurgie de l'implantation osseuse est douloureuse et compliquée pour les enfants, a-t-elle dit. La récolte d'os pour une auto-greffe peut entraîner d'autres complications et de la douleur.Les 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 quand il s'agit d'implants", a déclaré Shah. "Les patients pédiatriques ne le font pas. Si vous leur donnez un implant permanent, vous devrez faire plus de chirurgies à l'avenir. Ils pourraient faire face à des années de difficultés. "

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Les bons ingrédients

La composante osseuse naturelle est essentielle au succès.

Le constituant principal du biomatériau de Shah est l'hydroxyapatite, un phosphate de calcium qui est l'élément structurel principal (90% en poids) de l'os des vertébrés naturels.

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Shah et ses collègues mélangent 90% d'hydroxyapatite avec 10% de polymère médical biocompatible et biodégradable dans un solvant qui rend la texture plus comme un liquide qu'un solide.

"La cohérence est comme la colle d'Elmer", a déclaré Shah.

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Le mélange est appelé "encre" car il est utilisé dans une imprimante 3D.

Une fois le mélange extrudé, le solvant principal s'évapore immédiatement et solidifie le matériau. La structure du matériau est poreuse et peut être utilisée à température ambiante.

"Une porosité élevée est critique car les cellules et les vaisseaux sanguins doivent s'infiltrer dans l'échafaudage structural pour améliorer l'intégration tissulaire", a expliqué Shah.

De plus, la concentration élevée d'hydroxyapatite crée un environnement qui induit une régénération osseuse rapide.

"L'os hyperélastique est conçu pour se dégrader et se transformer en os naturel, et peut donc croître avec le patient", a déclaré Shah. "Cela élimine le besoin de futures chirurgies, comme cela est fait avec des plaques métalliques ou des implants. "

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Un produit polyvalent

L'os hyperélastique est polyvalent et peut être imprimé avec des forces variables.

Cela inclut les os très élastiques, ceux qui peuvent supporter des charges importantes ainsi que ceux qui sont plus creux ou plus denses. Ces propriétés mécaniques sont déterminées par l'architecture de l'objet imprimé en 3D, a déclaré Shah.

L'os synthétique peut être personnalisé pour chaque patient.

La variété des applications comprend des réparations pour les fractures de la colonne vertébrale, les blessures de médecine sportive, et les lésions de la coiffe des rotateurs et du LCA qui nécessitent une cicatrisation des tissus mous, a dit Shah.

Dans les applications craniofaciales et dentaires, et pour les déformations faciales, l'os de remplacement peut être imprimé "pour s'adapter parfaitement à la symétrie et à l'anatomie du patient, surtout dans les cas où un composant esthétique est important pour le patient"..

"Le matériau est également très élastique et les chirurgiens peuvent le manipuler", a déclaré Shah. "Les matériaux disponibles maintenant sont très flexibles, et pas difficiles à couper et à façonner. Lorsque les chirurgiens ont entendu parler de cela, ils étaient très excités. "

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Important dans les chirurgies de la tête et du visage

Les propriétés de l'os hyperélastique sont particulièrement cruciales dans la réparation des os de la tête et du visage.

"Dans les défauts craniofaciaux, nous pouvons créer un objet qui corrige ou couvre le défaut, ce qui nous permet de maintenir la symétrie faciale", a déclaré Shah. «Nous pouvons imprimer quelque chose qui est spécifique au patient. Le matériel passera par l'échafaudage. Ceci est important, car si vous n'avez pas de vaisseaux sanguins dans le défaut, vous pouvez avoir une nécrose tissulaire [mort tissulaire]. Dans l'échafaudage, les cellules vont déposer de nouveaux matériaux osseux. Avec les implants permanents, vous devez les remplacer au fil du temps. Ce nouveau matériel croît avec le patient et n'est pas invasif. "

Des antibiotiques pourraient être ajoutés pour contrôler l'infection.

Les chercheurs effectuent le processus d'impression 3D à température ambiante, ce qui leur permet d'ajouter d'autres éléments, tels que des antibiotiques, à l'encre.

"Nous pouvons incorporer des antibiotiques pour réduire la possibilité 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. "

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Remplacements personnalisés

Les chirurgiens utilisant le matériau osseux synthétique de Shah seraient capables de scanner le corps du patient et de créer un os de remplacement personnalisé sur une imprimante 3D.

Les propriétés mécaniques flexibles du biomatériau permettent aux médecins de facilement couper et façonner à la taille pendant une intervention chirurgicale. Non seulement c'est plus rapide, dit Shah, mais aussi moins douloureux comparé à l'utilisation de matériel auto-greffe.

Quand elle a commencé ses recherches en 2009, Shah a reçu un financement de démarrage de la part des professeurs et a bénéficié du soutien continu des National Institutes of Health (NIH).

Elle espère obtenir des fonds du gouvernement et des entreprises, et a récemment fondé une entreprise en démarrage à Northwestern pour explorer les applications de son travail.

Shah attend avec impatience le jour où «le délai d'exécution d'un implant spécialisé pour un client pourrait être de 24 heures. Cela pourrait changer le monde de la chirurgie craniofaciale et orthopédique et, j'espère, améliorer les résultats pour les patients. "