1 résultat

Substituts osseux : comment limiter l’inflammation qu’ils provoquent ?

Les substituts osseux à base de biocéramiques de phosphates de calcium nanoporeuses sont développés pour servir de support et contrôler le relargage de molécules bioactives. Cependant, les caractéristiques physico-chimiques de ces biocéramiques sont susceptibles d’induire des réactions inflammatoires importantes après implantation dans l’os. Des chercheurs de l’Institut de science des matériaux de Mulhouse (CNRS / Université de Haute Alsace)(*) ont démontré que les paramètres physico-chimiques les plus déterminants pour l’inflammation induite par ces matériaux étaient la cristallinité qui contrôle le potentiel de dissolution, la surface spécifique, la taille et la forme des cristallites. Ces travaux font l’objet d’une publication dans le journal Nanomedicine.

Les biocéramiques de phosphates de calcium, et en particulier l’hydroxyapatite, sont utilisées depuis longtemps comme substituts osseux. En effet, même si la greffe osseuse autologue reste la technique de référence, l'utilisation de biocéramiques peut réduire les risques associés à la chirurgie nécessaire au comblement de défauts osseux. Après implantation, l'interaction entre l’hydroxyapatite et le tissu osseux conduit à un processus de dissolution/précipitation du matériau suivi de sa colonisation par les cellules inflammatoires (monocytes/macrophages) et les cellules résidentes de l'os (ostéoblastes et ostéoclastes). Les phosphates de calcium permettent donc une nouvelle formation osseuse grâce à leurs propriétés de support et de conduction pour les cellules. Un biomatériau à base de phosphates de calcium « idéal » devra rester assez longtemps pour conduire une nouvelle formation osseuse, mais devra aussi être résorbé pour permettre à l’os nouvellement formé de prendre sa place. De plus, sa résorption ne devra pas produire des résidus qui pourraient devenir délétères.

Lorsque l’hydroxyapatite ou d'autres biomatériaux sont implantés dans un défaut osseux, une réponse cellulaire est toujours attendue comme première étape de la réparation tissulaire. Cette réponse de l'hôte est une cascade d'événements qui commence immédiatement après l'implantation. Le déclenchement d’une réponse inflammatoire débute par l'adsorption de protéines du sang à la surface du biomatériau, initiant la coagulation et l'arrivée des cellules immunitaires sur le site. Dans la phase aiguë de l'inflammation, dès les premiers jours après l'implantation, le site de la plaie est ainsi nettoyé par les neutrophiles(**). Toutefois, à long terme, les résidus du biomatériau et les particules libérées peuvent conduire à une inflammation chronique accompagnée par la destruction du tissu osseux. De fait, les particules d’hydroxyapatite sont connues pour déclencher des événements inflammatoires en raison de leur capacité de résorption limitée. Un tel effet est lié principalement à la production de médiateurs inflammatoires par les cellules de type monocytes / macrophages qui tentent de résorber le biomatériau.

Les chercheurs ont développé sept hydroxyapatites nanoporeuses par des approches de soft et hard templating(***). Ces poudres présentent différentes caractéristiques en termes de cristallinité, de taille et de forme de particules, de charge de surface, de surface spécifique, et de diamètre et de volume de pores.

Le potentiel inflammatoire de ces poudres a ensuite été étudié in vitro en présence de cellules inflammatoires humaines et in vivo après implantation pendant deux semaines dans des fémurs de souris, pour déterminer quelles étaient les caractéristiques physico-chimiques des poudres d’hydroxyapatite les plus critiques pour l’induction de l’inflammation.

Seules les hydroxyapatites nanoporeuses réalisées par hard templating ont affecté la réponse des monocytes humains in vitro. La réponse inflammatoire in vivo est augmentée pour les hydroxyapatites peu cristallisées. Deux poudres d’hydroxyapatite parmi les sept testées, une synthétisée par soft templating et une synthétisée par hard templating se sont avérées induire une excellente intégration dans l'os. Elles présentent toutes deux une cristallinité élevée, des cristallites de grande taille avec une surface régulière et lisse, une faible surface spécifique et une résorption modérée.

Cette étude ouvre la porte au développement de biomatériaux bioactifs associant des poudres d’hydroxyapatite nanoporeuses à des facteurs de croissance ou autres molécules bioactives, qui permettront d’améliorer la formation osseuse ou traiter localement des pathologies osseuses.

(*) En collaboration avec des équipes de l’Institut pluridisciplinaire Hubert Curien (CNRS / Université de Strasbourg), de l’Institut de chimie de Clermont-Ferrand (CNRS / ENSCCF / Université Blaise Pascal), du Laboratoire de physique corpusculaire (CNRS / Université Blaise Pascal), de l’équipe d’accueil Biomatériaux et inflammation en site osseux et de l’Institut de chimie moléculaire de Reims (CNRS / Université de Reims Champagne-Ardennes), et de l’équipe Inserm Bioingénierie tissulaire de Bordeaux.

(**) Cellules immunitaires capables d’éliminer des corps étrangers (microbes, cellules étrangères, particules) de la même manière que les macrophages.

(***) Approches de synthèse par chimie douce de matériaux nanoporeux consistant à (1) introduire un surfactant dans une solution de précurseurs d’hydroxyapatite pour créer la porosité après traitement thermique (soft templating) ou (2) imprégner par les précurseurs d’hydroxyapatite une matrice nanoporeuse à base silice ou carbone qui est ensuite éliminée respectivement par voie chimique ou thermique (hard templating).

anselme

Images en microscopie électronique en transmission des deux poudres d’hydroxyapatite nanoporeuses préparées par des approches de soft (HA1) et hard templating (HA2).
Ces deux poudres ont été sélectionnées comme étant les moins inflammatoires parmi 7 poudres grâce à une étude in vitro en présence de cellules inflammatoires humaines et in vivo après implantation chez la souris. Elles présentent toutes deux une cristallinité élevée, des cristallites de grande taille avec une surface régulière et lisse, une faible surface spécifique et une résorption modérée.
© Karine Anselme

Référence

F. Velard, S. Schlaubitz, J.C. Fricain, C. Guillaume, D. Laurent-Maquin, J. Möller-Siegert, L. Vidal, E. Jallot, S. Sayen, O. Raissle, J.M. Nedelec, C. Vix-Guterl, K. Anselme, J. Amédée, P. Laquerrière.

In vitro and in vivo evaluation of the inflammatory potential of various nanoporous hydroxyapatite biomaterials

Nanomedicine 31 mars 2015
DOI 10.2217/nnm.15.12

Contact chercheur

Karine Anselme, Institut de science des matériaux de Mulhouse

Courriel : karine.anselme@uha.fr

Tél. : 03 89 68 87 66

Contacts institut

Christophe Cartier dit Moulin, Jonathan Rangapanaiken