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Une photo de la mandibule imprimée dans ce matériau, en trois heures.
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Biomatériaux

L'impression 3D révolutionne les greffes osseuses

A-t-on mis au point l’os artificiel parfait? Réalisé avec une technique d’impression 3D, «l’os hyperélastique» semble satisfaire toutes les contraintes pour remplacer de grandes portions d’os dans l’organisme

Sommes-nous en face d’une révolution dans le domaine des greffes osseuses, ou bien s’agit-il d’un énième nouveau biomatériau? L’os «hyperélastique», présenté mercredi 28 septembre dans la revue «Science Translational Medicine», a en tout cas de sérieux atouts pour lui. Développé par une équipe américaine de médecins et d’ingénieurs, il promet de résoudre tous les défis habituellement rencontrés dans la conception d’os artificiels, notamment grâce à sa conception par impression 3D.

Les greffes d’os ne datent pas d’hier: des siècles de conflits armés ont amené les médecins à essayer de réparer le squelette brisé. Pour l’anecdote, la plus ancienne trace historique remonterait à 1668 lorsque le Hollandais Job van Meekeren serait parvenu à refermer le crâne d’un soldat à l’aide d’un morceau d’os de chien, opération qui valut au malheureux soldat d’être excommunié.

Qu’elles soient dans ce cas allogéniques, autrement dit réalisées entre deux espèces, ou autogéniques c’est-à-dire au sein du même individu, les greffes osseuses sont devenues une opération de routine: on réaliserait quelque 200 à 300 allogreffes chaque année en Suisse, les autres n’étant pas comptabilisées.

Fabriquer plutôt que prélever

De telles transplantations ne fonctionnent cependant pas avec de grosses portions d’os, signale Martin Broome, chirurgien maxillo-facial au CHUV à Lausanne. Si bien que la recherche s’oriente aujourd’hui vers la fabrication d’os artificiels. Construits sur mesure avec des matériaux biocompatibles, ils sont censés servir de charpente, le temps que les cellules osseuses naturelles les colonisent, après quoi ils disparaissent par résorption.

Concevoir ces os n’a rien d’une sinécure. Ils doivent, pêle-mêle, posséder de propriétés mécaniques proches de celles de leurs pendants biologiques, être utilisables facilement en bloc opératoire, et financièrement abordables. Le tout, bien entendu, sans provoquer de réaction de rejet ou de phénomènes inflammatoires. Depuis des années, diverses équipes s’y consacrent, sans toutefois satisfaire toutes ces contraintes à la fois. L’os hyperélastique, affirment les auteurs, serait le premier à y parvenir.

Ce matériau est composé à 90% d’hydroxyapatite, la matière minérale présente dans les os et les dents, et à 10% par des polymères. Il ressemble beaucoup aux autres os artificiels en cours de développement. Mais sa formule lui confère une élasticité beaucoup plus importante, d’où son nom. «La première fois que nous l’avons imprimé, nous avons été stupéfaits de voir à quel point il retrouvait facilement sa forme initiale», explique Ramille Shah, de l’Université Northwestern, dans l’Illinois. Il peut être découpé, roulé, plié et soudé à des tissus très aisément.»

Une encre rapide

Mais ce qui fait son originalité, c’est aussi le fait qu’il soit produit par impression 3D, remarque Martin Broome, du CHUV: «Plus la forme de l’os à reconstruire est complexe, plus on tire profit de la précision de l’impression 3D, surtout pour des matériaux tels que l’os, qui doivent être résorbables.»

«L’encre» de cette impression 3D n’a pas grand-chose à voir avec le premier toner venu. C’est un mélange de poudre d’hydroxyapatite et d’un élastomère, le polycaprolactone, déjà utilisé dans le domaine médical pour fabriquer des tissus. Ce mix s’imprime rapidement: entre 275 et 550 cm³/heure selon la porosité osseuse désirée, ce qui a permis l’impression d’une mandibule humaine en moins de trois heures, d’après les auteurs.

Autre avantage de l’os hyper-élastique, il fait office de Lego: il est possible d’assembler plusieurs petits morceaux en une pièce à la géométrie complexe, impossible à imprimer telle quelle. Enfin, le fait de travailler à température ambiante, contrairement aux autres méthodes de façonnage, qui nécessitent plusieurs centaines de degrés, autorise l’emploi de facteurs biologiques destinés à favoriser la reconstruction osseuse (des antibiotiques, par exemple).

Afin de tester ses propriétés mécaniques, les chercheurs ont imprimé un morceau de fémur humain qu’ils ont soumis à diverses contraintes de compression. Résultat, la pièce a résisté à des charges deux à trois fois supérieures à celles supportées par les matériaux résorbables existants.

Testé chez l’animal

Mais toutes ces caractéristiques seraient inutiles si cet os était mal toléré par l’organisme. Pour le vérifier, les chercheurs en ont greffé un morceau chez des souris, des rats, et même chez un macaque, fait rare dans ce type d’études. Au bout de 35 jours, chez la souris, les structures en os hyper-élastiques étaient complètement colonisées par le tissu environnant, sans inflammation notable. Mieux, un grand morceau d’os crânien implanté chez le singe était en grande partie soudé aux tissus et ce au bout de seulement quatre semaines.

Avant d’envisager une quelconque application, il faudra tester ce matériau à grande échelle, chez de nombreux animaux. «On ne sait pas encore comment se comportera ce matériau chez l’homme, ajoute Martin Broome. Mais en prenant en compte à la fois les aspects mécaniques et les aspects biologiques, cette étude fait un pas intéressant dans le bon sens.»

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