ELAINE : l’université de Rostock fabrique des implants osseux bioactifs par impression 3D

Les os possèdent une remarquable capacité d’auto-réparation. Cela signifie que lorsqu’une fracture survient à la suite d’un accident comme une chute de ski ou à vélo, ou tout autre incident malheureux, les os ont généralement la capacité de se réparer naturellement. Le temps nécessaire peut varier en fonction de plusieurs facteurs, notamment l’âge du patient et la gravité de la fracture. Cependant, lorsque des défauts osseux plus graves se produisent, notamment en cas de tumeurs, l’os perd sa capacité de régénération. Dans de telles situations, on a recours à des implants, souvent fabriqués en titane ou à partir de matériaux osseux prélevés sur d’autres parties du corps du patient. Une technologie de pointe de plus en plus utilisée pour cette procédure est l’impression 3D. Au sein de l’université de Rostock, un projet de recherche innovant se concentre sur la création de structures de remplacement osseux à caractère bioactif. Ce projet, baptisé ELAINE (Electrically Active ImplaNtatE), fait partie intégrante du centre de recherche collaborative 1270, supervisé par le professeur Hermann Seitz. Au cours de cette initiative, les chercheurs mènent des expérimentations visant à élaborer des implants osseux bioactifs en utilisant la technologie de l’impression 3D.

Jusqu’à présent, le titane a souvent été utilisé comme substitut osseux. Cependant, il peut être difficile de l’adapter aux conditions anatomiques individuelles. En outre, les implants en titane peuvent se détacher facilement et engendrer des complications à long terme. Une autre approche thérapeutique consiste à prélever de la matière osseuse dans le bassin et à la transplanter dans la zone endommagée. « Cependant, cela présente son propre ensemble de problèmes », met en garde M. Seitz. Dans le but de garantir à l’avenir la création d’implants plus performants, affichant moins d’effets secondaires et une meilleure adaptabilité, l’équipe de recherche du projet ELAINE mise sur la fabrication additive et s’efforce de résoudre les problèmes osseux grâce à la technologie de l’impression 3D.

Les os ont un fort pouvoir de régénération. Cependant, pour les défauts plus importants, l’utilisation d’un implant est nécessaire. ELAINE étudie la production d’implants osseux par impression 3D (crédit photo : Pixabay)

Le groupe de recherche ELAINE se consacre à la création d’implants électriquement actifs qui imitent le comportement des structures osseuses naturelles. Les scientifiques s’inspirent de la physiologie des os en s’appuyant sur les principes de la piézoélectricité osseuse, un phénomène où des signaux électriques sont générés lorsque les os subissent une déformation mécanique due à des contraintes. Lorsqu’une charge mécanique est appliquée sur un os, elle déclenche l’émission de signaux électriques vers les tissus, favorisant ainsi la stimulation de la croissance osseuse. Christian Polley, doctorant au Centre de recherche collaborative 1270, explique : “ La piézoélectricité est un facteur clé du remodelage osseux continu dans l’organisme. Cet effet piézoélectrique permet de stimuler la croissance des cellules.” 

Fort de ces connaissances, le groupe de recherche a élaboré des implants en céramique piézoélectrique, plus précisément en titanate de baryum, en utilisant la technologie d’impression 3D, en collaboration étroite avec la chaire de biomatériaux de l’université Friedrich-Alexander d’Erlangen-Nuremberg. Le titanate de baryum est une céramique piézoélectrique qui génère également des potentiels de tension sous pression. Dans l’approche de recherche d’ELAINE, le titanate de baryum est combiné à des verres bioactifs. Lorsque ce matériau entre en contact avec les fluides corporels, il libère des ions, déclenchant ainsi son activité biologique. Par la suite, ce matériau bioactif est transformé en implant grâce à la technologie de l’impression 3D.

Impression 3D d’implants osseux imitant les vrais os

L’un des avantages de l’impression 3D réside dans sa capacité à ajuster précisément l’implant après une reconstruction numérique, permettant ainsi de produire des implants sur mesure pour chaque patient. Comme l’explique M. Polley, « Nous avons une vision claire de la pièce du puzzle dès le départ. » Dans le cadre du projet ELAINE, la technologie d’impression 3D utilisée est la LCM (lithographie basée sur la céramique) de Lithoz. Dans ce processus, un polymère photosensible est mélangé avec des particules piézocéramiques, puis introduit dans l’imprimante, où une structure en filigrane est créée par photopolymérisation. Après cela, la pièce imprimée est soumise à un traitement thermique pour la frittage. Bien que l’impression 3D elle-même ne prenne que quelques heures, le post-traitement nécessite une nuit. Grâce à ce processus de fabrication, les implants sont stériles et biocompatibles, prêts à être implantés chez le patient.

« Nous avons déjà réalisé avec succès des expériences en utilisant des chambres de simulation qui permettent de reproduire fidèlement la pression à l’intérieur d’un organisme”, a déclaré M. Seitz, de l’université de Rostock. “Notre objectif est de développer un implant capable de réagir aux stimulations mécaniques grâce à la piézoélectricité tout en étant bioactif. Nous cherchons à encourager les cellules osseuses des tissus environnants à migrer vers l’implant poreux et à le coloniser. Si la colonisation et la formation de vaisseaux s’avèrent réussies, alors l’implant peut demeurer dans le corps.

À l’avenir, des implants plus importants, tels que ceux utilisés pour reconstruire le crâne, pourraient être fabriqués à l’aide d’un implant osseux provenant de l’imprimante 3D (crédits photo : Uniklinikum Salzburg).

Bien que le projet ELAINE ait réalisé des avancées prometteuses grâce aux résultats obtenus jusqu’à présent au sein du centre de recherche collaboratif, il reste encore un travail de recherche fondamentale considérable à accomplir avant que ces implants ne puissent être adoptés dans la pratique clinique courante. Comme l’explique M. Seitz, une compréhension exhaustive des mécanismes sous-jacents est impérative. Il est envisageable que cela puisse prendre jusqu’à une décennie avant que ces implants ne deviennent couramment utilisés. Toutefois, il est déjà évident que l’impression 3D jouera un rôle significatif dans l’avenir de la médecine. Pour en savoir davantage sur le projet ELAINE, vous pouvez cliquer ici.

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*Crédits photo couverture : Joachim Mangler/Université de Rostock : Christian Polley (à gauche) et Hermann Seitz (à droite)