Les greffes osseuses imprimées par laser pourraient transformer la guérison osseuse

Une équipe d’ingénieurs de l’ETH Zurich a présenté une méthode plus efficace et plus pratique pour créer des greffes osseuses. Elle utilise de nouveaux matériaux et l’impression laser afin d’accélérer la guérison tout en réduisant les risques. Voici ce qu’il faut savoir.

Pourquoi les fractures osseuses augmentent

Vous connaissez probablement au moins une personne qui s’est fracturé un os. Qu’il s’agisse d’un accident de l’enfance ou d’un traumatisme grave, ces blessures exigent toutes une prise en charge médicale afin que l’os guérisse correctement.

Malheureusement, le nombre de fractures augmente régulièrement dans le monde, notamment en raison du vieillissement de la génération du baby-boom. Selon l’International Osteoporosis Foundation (IOF), plus de 37 millions de fractures de fragilité ont été recensées chez les personnes âgées l’an dernier, et cette tendance devrait se poursuivre avec le vieillissement de la population.

Comment les os guérissent naturellement

Le corps humain est remarquable et peut guérir seul les fractures légères. Il commence par envoyer différentes cellules des tissus mous vers la zone endommagée. Ces cellules temporaires servent d’échafaudage, permettant au nouvel os de prendre forme puis de durcir.

Cette capacité tient en partie au réseau unique de passages et d’espaces microscopiques présents dans l’os. Un minuscule fragment osseux, plus petit qu’une pièce de monnaie, peut contenir plus de 54 kilomètres de tunnels microscopiques.

Quand les fractures osseuses nécessitent une intervention chirurgicale

Certaines fractures sont si graves que le corps ne peut pas les guérir sans l’aide de professionnels de santé. Les fractures ouvertes graves doivent notamment être stabilisées par des broches métalliques et des implants.

L’ablation d’une tumeur peut également laisser une partie de l’os manquante. Les médecins doivent combler cette zone pour stabiliser correctement l’os. Dans certains cas, la greffe est fabriquée à partir de l’os du patient.

Autogreffes

Les autogreffes sont la solution la plus courante dans cette situation. Elles peuvent prendre plusieurs formes, les options les plus répandues utilisant l’os du patient, de la céramique ou du métal.

Problèmes liés aux autogreffes

Les autogreffes peuvent améliorer la guérison, mais elles ont aussi des inconvénients. La procédure exige une opération supplémentaire pour prélever le tissu osseux destiné à la greffe. Cela augmente les coûts, les risques et les délais, tout en mobilisant davantage de professionnels.

La percée des greffes osseuses imprimées par laser de l’ETH Zurich

L’article scientifique « A Water-Soluble PVA Macrothiol Enables Two-Photon Microfabrication of Cell-Interactive Hydrogel Structures at 400 mm s−1 »¹, publié dans Advanced Materials, présente une approche entièrement nouvelle susceptible de transformer les soins de santé.

Microfabrication 2PP

Pour créer des greffes plus stables, l’équipe a choisi une méthode appelée polymérisation à deux photons (2PP). Développée à l’origine comme technique d’écriture laser directe pour l’ingénierie tissulaire et les médicaments, elle repose sur des impulsions laser femtoseconde.

Ces minuscules lasers de forte intensité durcissent des matériaux photosensibles spéciaux. Ils permettent de créer des architectures tridimensionnelles à haute résolution et à l’échelle submicronique. Cette capacité a attiré l’attention de Xiao-Hua Qin, professeur d’ingénierie des biomatériaux à l’ETH Zurich, et de son équipe.

Un nouvel hydrogel était nécessaire

Imiter la matrice extracellulaire (ECM) humaine est difficile, car cela exige une complexité que les techniques 2PP traditionnelles ne pouvaient offrir. Un laser à deux photons concentre la réaction photochimique sur une zone précise, apportant bien plus de contrôle que les anciennes méthodes à laser unique.

Le gel n’était toutefois ni assez rigide pour conserver sa forme ni assez réactif pour rester en place. L’équipe s’est donc concentrée sur la création d’un nouvel hydrogel.

La fabrication 2PP actuelle utilise un hydrogel contenant des protéines (méth)acrylées.  Des agents de réticulation thiolés commerciaux solubles dans l’eau, comme le dithiothréitol, sont couramment employés. Ces protéines ne possèdent pas les mécanismes de réticulation robustes nécessaires à la croissance osseuse.

Source – ETH Zurich

Ce matériau ne permet pas d’atteindre la complexité requise par l’os humain et les essais ont produit de nombreux défauts structurels. La solution classique aurait consisté à augmenter la concentration de polymère, mais l’équipe a choisi une autre voie.

Agent de réticulation thiol PVA (PVASH)

Les ingénieurs ont donc développé un nouvel hydrogel. Cet hydrogel à agent de réticulation macromoléculaire thiolé en alcool polyvinylique soluble dans l’eau (PVASH) emploie des molécules spécialisées pour rester stable et biocompatible.

L’équipe a d’abord mélangé le PVASH avec du PVA fonctionnalisé par du norbornène (nPVA), puis ajouté des photoinitiateurs pour assurer le bon fonctionnement du procédé laser.

La principale nouveauté est l’introduction de plusieurs groupes réactifs. Le gel durcit ainsi plus vite et plus complètement sous le rayonnement laser. Les chercheurs peuvent aussi employer une molécule pour relier la chaîne polymère et une autre pour assurer la réaction lumineuse.

Impression laser

L’impression laser permet d’obtenir des structures osseuses naturelles dont certains détails ne mesurent que 500 nanomètres de large. L’équipe a utilisé un laser de 20 mW.

Cette précision microscopique crée des cavités et des passages naturels. Les modèles peuvent être préprogrammés et produits à 400 millimètres par seconde, un nouveau record mondial qui souligne le potentiel de cette avancée pour accélérer la guérison.

Micro-échafaudages

Le matériau semble reproduire la complexité de l’os humain au point que les cellules entament immédiatement le processus normal de guérison. Les kilomètres de tunnels et de passages microscopiques offrent une adhérence idéale pour attirer et soutenir la croissance de cellules saines.

Tests en laboratoire des échafaudages osseux imprimés par laser

Les scientifiques ont mené plusieurs essais en laboratoire pour vérifier leur théorie dans des conditions réalistes. Ils ont observé avec satisfaction une croissance cellulaire rapide.

L’hydrogel a été imprimé dans la forme personnalisée et, en quelques jours, l’organisme a commencé à produire du collagène, une étape essentielle de la croissance osseuse. Les ingénieurs ont également constaté que le polymère se dégradait dans l’organisme sans aucun danger.

Ils ont ensuite évalué l’hydrogel et les molécules de réticulation thiol-ène. Leurs performances ont dépassé les attentes, produisant une réparation solide et naturelle du tissu endommagé plus rapidement que d’autres méthodes.

Résultats des tests des greffes osseuses imprimées par laser

Les résultats montrent l’importance de ces travaux pour la santé. Les scientifiques ont constaté une nette amélioration de chaque étape, depuis le moulage de la greffe et l’arrivée des cellules jusqu’à la biodégradation de l’échafaudage. Ils ont obtenu des cellules osseuses guéries identiques à celles produites naturellement.

Avantages des greffes osseuses imprimées par laser

Le nouvel hydrogel offre de nombreux avantages, dont une plus grande souplesse de structure et de positionnement. Les hydrogels traditionnels ne sont pas moulables. L’ajout de molécules de liaison augmente fortement la stabilité et permet un moulage direct selon les besoins du patient.

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Fidélité

La fidélité accrue constitue un autre avantage important. Les nouveaux hydrogels à base de PVASH offrent aux ingénieurs davantage de possibilités de conception et de complexité structurelle à l’échelle microscopique.

Meilleure réponse du patient

Bien que les scientifiques n’aient mené que des essais en laboratoire, la nouvelle méthode a provoqué beaucoup moins de gonflement. Biocompatible, l’hydrogel est plus facilement accepté par les cellules de l’organisme que le métal ou la céramique.

Applications réelles & Chronologie:

Cette découverte pourrait trouver des applications dans plusieurs secteurs. Son usage le plus évident concerne la santé, où elle pourrait réduire le coût et la durée de rétablissement des patients souffrant de fractures.

Prothèses

La technologie pourrait un jour servir à créer des prothèses plus réalistes, qui ressemblent à de vraies parties du corps et en donnent la sensation. Elle fournirait une base sur laquelle les cellules pourraient ensuite se développer.

Robotique

Le secteur de la robotique pourrait aussi employer cette technologie pour créer des structures biomécaniques plus robustes. Elles associeraient des cellules et structures vivantes à des dispositifs mécaniques afin de produire des machines plus performantes.

Chronologie

Il faudra peut-être au moins dix ans avant que cette technologie soit assez mûre pour être utilisée chez l’humain. La recherche en est encore à ses débuts et de nombreux obstacles scientifiques et réglementaires restent à surmonter.

Chercheurs des greffes osseuses imprimées par laser

Des chercheurs de l’ETH Zurich ont dirigé l’étude sur les greffes osseuses imprimées par laser. Xiao-Hua Qin et Ralph Müller en sont les auteurs principaux, avec le soutien de Wanwan Qiu, Margherita Bernero, Muja Emilie Ye, Xianjun Yang et Philipp Fisch.

Avenir

L’avenir des greffes osseuses imprimées par laser reste à déterminer. La technologie est cohérente et très prometteuse, mais de nombreux essais sont encore nécessaires, notamment chez l’humain.

La prochaine étape sera l’expérimentation animale. Les scientifiques ont déjà conclu un partenariat stratégique avec l’AO Research Institute Davos. Selon les résultats, la recherche passera ensuite aux patients humains.

Investir dans l’innovation HealthTech

Plusieurs entreprises continuent de stimuler l’innovation dans le secteur HealthTech. Elles ont montré leur volonté de chercher des solutions créatives à ce problème essentiel. Voici une entreprise pionnière qu’il convient de connaître.

Xtant Medical Holdings

Xtant Medical (XTNT ) Holdings est née sous le nom de Bacterin International dans un laboratoire de la Montana State University au début des années 1990. Le projet visait à améliorer les pratiques médicales, notamment les implants de médecine régénérative.

Devenue Xtant Medical Holdings en 2000, l’entreprise a lancé une gamme d’implants chirurgicaux en 2006. Après son introduction en bourse réussie en 2013, elle a acquis d’autres sociétés de recherche osseuse régénérative, dont X-spine en 2016.

En 2020, Xtant s’est recentrée sur la reconstruction de la colonne vertébrale.  Elle a poursuivi ses acquisitions et ses partenariats stratégiques, puis s’est de nouveau étendue à d’autres domaines de la médecine osseuse régénérative.

Aujourd’hui, Xtant est reconnue comme l’une des principales entreprises d’orthobiologie au monde. Ses produits visent à améliorer les résultats des patients et elle continue d’investir dans des solutions plus efficaces. Les investisseurs à la recherche d’une entreprise MedTech reconnue devraient examiner son offre.

Dernières nouvelles et performances de Xtant Medical Holdings (XTNT)

Conclusion des greffes osseuses imprimées par laser

Il est facile de comprendre pourquoi de meilleures solutions sont activement recherchées pour les patients souffrant de lésions osseuses complexes, notamment de traumatismes de la colonne vertébrale. Avec le vieillissement de la population, ces blessures deviendront plus fréquentes. Ces travaux pourraient donc jeter les bases de stratégies de guérison plus rapides et plus fiables.

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Références

^{1. Qiu, W., Bernero, M., Ye, M. E., Yang, X., Fisch, P., Müller, R., & Qin, X. H. A Water-Soluble PVA Macrothiol Enables Two-Photon Microfabrication of Cell-Interactive Hydrogel Structures at 400 mm s−1. Advanced Materials, e10834. https://doi.org/10.1002/adma.202510834}