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Une découverte électrique pourrait révolutionner la chirurgie osseuse

Des chercheurs de l’UE ont développé des matériaux polymères pouvant stimuler les cellules ostéoformatrices et potentiellement aider à régénérer le tissu environnant. Cette avancée est fondée sur la découverte du fait que le minéral osseux est flexoélectrique, ce qui signifie qu’il peut produire de l’électricité en réponse à des pressions mécaniques.

Santé

Cette découverte pourrait mener au développement d’une nouvelle génération de greffes et de prothèses réagissant à la pression corporelle et favorisant la régénération osseuse après une intervention chirurgicale. En outre, cette technique pourrait potentiellement réduire le besoin de donneurs d’os, résultant ainsi en une diminution des coûts et des risques médicaux.

Un matériau flexible

«Nos os présentent d’excellentes propriétés de remodelage», expliquent Nathalie Barroca, boursière du programme Marie Skłodowska-Curie pour le projet FLEXOBONEGRAFT, et Gustau Catalan, de l’Institut catalan des nanosciences et des nanotechnologies (ICN2), et coordinateur du projet. «Les fractures se soignent, tandis que des impacts peuvent les renforcer. Mais l’absence d’exercice, ou de gravité, comme cela est le cas dans l’espace, peut accentuer la porosité des os et les affaiblir.» De plus, les impressionnantes capacités d’adaptation des os déclinent avec l’âge. En fait, l’os est devenu le tissu le plus transplanté après le sang, avec plus d’un million d’interventions réalisées chaque année rien qu’en Europe. Avec une population vieillissante, il est probable que l’Europe devienne le témoin d’une hausse des affections liées aux os, telles que l’ostéoporose. «Il y a un besoin évident de nouveaux traitements pour les affections musculosquelettiques, et la recherche sur la réparation osseuse est un domaine florissant», ajoute M. Catalan.

Des avancées sur le plan biomédical

Le groupe de M. Catalan à l’ICN2, à Barcelone, a précédemment découvert que le minéral osseux est flexoélectrique. La flexoélectricité (qui signifie littéralement «tordre l’électricité») décrit la capacité d’un matériau à produire de l’électricité en réponse à des déformations, capacité qui s’avère fondamentale car nos os subissent constamment des pressions mécaniques. Faisant suite au succès de cette étude initiale financée par le CER, une équipe composée de la biologiste Raquel Nuñez, de deux physiciens (Gustau Catalan et Fabian Vasquez) et de Nathalie Barroca, scientifique spécialisée dans les matériaux, a étudié certains des effets physiologiques de la flexoélectricité sur le remodelage osseux dans le cadre du projet FLEXOBONEGRAFT. Ils ont découvert que la flexoélectricité entraîne en premier lieu la mort des ostéocytes adjacents aux fractures osseuses, ce qui permet ainsi d’entamer le protocole de réparation osseuse. Elle stimule par la suite les cellules ostéoformatrices (appelées ostéoblastes) pour sécréter du minéral osseux et générer des taux élevés d’ostéocalcine (une protéine liant le calcium). «Nous avons constaté que la flexoélectricité laisse ainsi apparaître de nouvelles perspectives pour des traitements régénérateurs des os», indique Mme Barroca, qui bénéficiait d’une bourse Marie Skłodowska-Curie. «La prochaine étape consistait à sélectionner les polymères biocompatibles et biodégradables, approuvés sur le plan médical, qui pourraient être utilisés comme matériaux d’imitation des os, et caractériser par la suite leurs propriétés flexoélectriques.» Pour parfaire l’imitation de la chimie de l’os, Mme Barroca a mélangé des polymères avec des nanoparticules d’hydroxyapatite, le principal minéral des os. Elle a identifié quelques compositions qui détiennent le même coefficient flexoélectrique que celui des os, qui s’avère suffisant pour stimuler les cellules. Cette découverte, qui sera bientôt publiée, sera utile pour les ingénieurs en biomédecine visant à incorporer la flexoélectricité comme paramètre de conception. «Les matériaux identifiés ont également été utilisés pour mettre au point des conceptions structurelles qui subissent des microflexions locales (et génèrent ainsi de la flexoélectricité) en réponse à des pressions mécaniques semblables à celles que subit le corps humain», indique Mme Barroca. «Cela a été possible grâce à des échafaudages imprimés en 3D avec des microfaisceaux de chevauchement et des cavités de tailles variables. Nous avons également pour objectif d’étudier l’effet de tels composites microtexturés sur de vraies cellules osseuses.» Les découvertes du projet exploitent l’intérêt grandissant de l’utilisation des biomatériaux à des fins médicales. Les polymères font déjà partie de la composition des prothèses osseuses, et ils font également office d’échafaudages pour «guider» l’activité régénératrice des cellules osseuses. Ces échafaudages se dégradent ensuite en sous‑produits biocompatibles pouvant être traités par l’organisme.

Mots‑clés

FLEXOBONEGRAFT, os, biomatériaux, composites, polymères, flexoélectricité, ostéoporose, calcium

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