Étude sur l’application de structures en alliage de titane à double gyroïde basées sur des surfaces minimales triplement périodiques pour la réparation osseuse

Contexte académique

La réparation des défauts osseux est un défi majeur dans le domaine orthopédique, en particulier dans les cas de défauts osseux de taille critique (critical-size bone defects) causés par des traumatismes, des tumeurs, des inflammations et d’autres maladies. Actuellement, les méthodes cliniques couramment utilisées pour la réparation osseuse incluent les greffes osseuses autologues et allogéniques. Cependant, les greffes autologues présentent des problèmes de dommages au site donneur et de disponibilité limitée, tandis que les greffes allogéniques peuvent entraîner des rejets immunitaires et des risques de transmission de maladies. Par conséquent, l’ingénierie tissulaire osseuse (bone tissue engineering, BTE) est devenue une stratégie importante pour remplacer les méthodes traditionnelles. Les alliages de titane, en raison de leurs excellentes propriétés mécaniques, de leur biocompatibilité et de leur résistance à la corrosion, sont largement utilisés dans la réparation osseuse clinique. Cependant, le module d’élasticité des alliages de titane est supérieur à celui de l’os naturel, ce qui peut entraîner un effet de blindage des contraintes (stress shielding effect), provoquant une résorption osseuse et un desserrement de l’implant. Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont introduit une conception poreuse, réduisant le module d’élasticité de l’implant pour éviter l’effet de blindage des contraintes et fournir un espace efficace pour la croissance osseuse interne.

Ces dernières années, les échafaudages poreux basés sur des surfaces minimales triplement périodiques (triply periodic minimal surface, TPMS) ont attiré une attention considérable en raison de leur similitude avec la structure de l’os spongieux. Les structures TPMS possèdent une surface lisse et continue, favorisant l’adhésion et la prolifération cellulaire, et présentent d’excellentes propriétés mécaniques et ostéoconductrices. Cependant, les recherches sur la porosité optimale pour des structures TPMS spécifiques restent limitées. Cette étude vise à concevoir et à fabriquer des échafaudages en alliage de titane à double gyroïde (double gyroid, DG) basés sur des structures TPMS, en explorant l’impact de différentes porosités sur l’ostéointégration (osseointegration) et l’angiogenèse (angiogenesis), fournissant ainsi de nouvelles idées de conception et des bases expérimentales pour la réparation des défauts osseux.

Source de l’article

Cet article a été rédigé par l’équipe de recherche de Hao Liu, Hao Chen et d’autres membres du Département d’Orthopédie du Deuxième Hôpital de l’Université de Jilin, et a été publié en ligne le 21 décembre 2024 dans la revue Bio-design and Manufacturing. L’étude a été financée par plusieurs projets, notamment la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine et le Département des sciences et technologies de la province de Jilin.

Processus et résultats de la recherche

1. Conception et fabrication des échafaudages poreux en alliage de titane

L’équipe de recherche a utilisé le logiciel de conception assistée par ordinateur Rhinoceros 6 et le plugin Grasshopper pour concevoir des échafaudages en alliage de titane à double gyroïde basés sur des structures TPMS. En ajustant les paramètres des fonctions mathématiques, quatre échafaudages DG avec différentes porosités (40 %, 55 %, 70 %, 85 %) ont été conçus, nommés respectivement DG40, DG55, DG70 et DG85. Le groupe témoin était un échafaudage à structure cubique traditionnelle avec une porosité de 70 %, nommé Cube. Les échafaudages ont été fabriqués en utilisant la technologie de fusion par faisceau d’électrons (electron beam melting, EBM), avec de la poudre Ti6Al4V ELI comme matériau de base. Après la fabrication, les résidus de poudre ont été éliminés par grenaillage et nettoyage par ultrasons, et les échafaudages ont été stérilisés.

2. Caractérisation des échafaudages et tests de propriétés mécaniques

La morphologie de surface et la composition chimique des échafaudages ont été analysées par microscopie électronique à balayage (SEM) et spectroscopie à dispersion d’énergie (EDS). Les résultats ont montré que les particules métalliques de Ti6Al4V étaient uniformément réparties sur la surface des échafaudages, et que la composition élémentaire correspondait à celle du Ti6Al4V standard. La micro-tomographie par ordinateur (micro-CT) a montré que la structure poreuse des échafaudages était bien formée, sans fissures ni impuretés visibles. Les tests de compression ont montré que le module d’élasticité et la résistance à la compression des échafaudages DG diminuaient avec l’augmentation de la porosité, et que les propriétés mécaniques de l’échafaudage DG55 étaient les plus adaptées pour une utilisation comme implant orthopédique.

3. Expériences cellulaires in vitro

L’équipe de recherche a évalué la biocompatibilité des échafaudages et leur capacité à promouvoir l’angiogenèse et la différenciation osseuse à travers des expériences cellulaires in vitro. Les cellules souches mésenchymateuses de la moelle osseuse de lapin (bone marrow mesenchymal stem cells, BMSCs) et les cellules endothéliales de la veine ombilicale humaine (human umbilical vein endothelial cells, HUVECs) ont été utilisées comme sujets d’étude.

• Expériences de prolifération cellulaire : La prolifération des BMSCs sur les échafaudages a été évaluée par coloration des cellules vivantes/mortes et par le test CCK-8. Les résultats ont montré que la capacité de prolifération des cellules sur l’échafaudage DG70 était significativement supérieure à celle sur l’échafaudage Cube, et que l’échafaudage DG55 présentait la meilleure capacité de prolifération cellulaire.
• Expériences d’angiogenèse : La migration et la formation de tubes par les HUVECs ont été évaluées par des expériences de cicatrisation par grattage, de migration Transwell et de formation de tubes. Les résultats ont montré que l’échafaudage DG70 favorisait significativement la migration et la formation de tubes par les HUVECs, et que l’échafaudage DG55 présentait les meilleurs résultats.
• Expériences de différenciation osseuse : La capacité de différenciation osseuse des BMSCs a été évaluée par coloration de la phosphatase alcaline (ALP) et de l’alizarine rouge S (ARS). Les résultats ont montré que l’échafaudage DG55 était le meilleur pour promouvoir la différenciation osseuse.

4. Expériences animales in vivo

L’équipe de recherche a implanté les échafaudages dans un modèle de défaut osseux du condyle fémoral de lapins néo-zélandais pour évaluer leur capacité à promouvoir l’angiogenèse et la régénération osseuse in vivo. L’analyse par micro-CT et histologique a montré que l’échafaudage DG55 était le meilleur pour promouvoir la formation de nouvel os et l’angiogenèse, avec une maturité élevée du tissu osseux nouvellement formé.

Conclusions et signification

Cette étude a conçu et fabriqué des échafaudages en alliage de titane à double gyroïde basés sur des structures TPMS, en explorant systématiquement l’impact de différentes porosités sur l’ostéointégration et l’angiogenèse. Les résultats ont montré que l’échafaudage DG55 était le meilleur pour promouvoir la prolifération cellulaire, l’angiogenèse et la différenciation osseuse, et que ses propriétés mécaniques étaient adaptées pour une utilisation comme implant orthopédique. Par rapport aux échafaudages à structure cubique traditionnelle, les échafaudages DG présentaient une surface spécifique plus grande et une distribution de fluide plus uniforme, favorisant une meilleure adhésion et croissance cellulaire.

La valeur scientifique de cette étude réside dans la fourniture de nouvelles idées de conception pour la réparation des défauts osseux, en optimisant la conception de la structure poreuse des échafaudages en alliage de titane, et en fournissant des bases expérimentales importantes pour les applications cliniques de réparation osseuse. De plus, l’étude a révélé les avantages uniques des structures TPMS dans la promotion de l’angiogenèse et de la régénération osseuse, ouvrant de nouvelles directions pour les recherches futures en ingénierie tissulaire osseuse.

Points forts de la recherche

1. Conception innovante des échafaudages : Première combinaison de la structure à double gyroïde avec les TPMS, concevant des échafaudages poreux en alliage de titane avec une excellente biocompatibilité et des propriétés mécaniques.
2. Étude systématique : Évaluation complète des capacités d’ostéointégration et d’angiogenèse des échafaudages à différentes porosités à travers des expériences cellulaires in vitro et des expériences animales in vivo.
3. Détermination de la porosité optimale : L’étude a montré que l’échafaudage DG55 avec une porosité de 55 % était le meilleur pour promouvoir la régénération osseuse et l’angiogenèse, fournissant une référence importante pour la réparation osseuse clinique.
4. Analyse des caractéristiques de fluide : L’analyse de la dynamique des fluides computationnelle a révélé les avantages des échafaudages DG dans l’adhésion et la croissance cellulaire.

Autres informations utiles

L’équipe de recherche a également comparé la surface spécifique et les caractéristiques de distribution de fluide entre les structures gyroïdes traditionnelles et les structures à double gyroïde, constatant que les structures à double gyroïde présentaient des avantages supérieurs pour l’adhésion et la croissance cellulaire. De plus, l’étude a exploré le rôle des structures TPMS dans l’activation de la voie de signalisation YAP/TAZ, fournissant de nouvelles idées pour les recherches futures.