Design and Fabrication of Bio-Inspired Bouligand-Structured Scaffold for Bone Tissue Engineering Applications

Lorsqu'un os se casse gravement, les médecins doivent souvent remplacer la pièce manquante par un échafaudage, une structure tridimensionnelle temporaire qui guide la croissance du nouvel os. Pour que cela fonctionne, l'échafaudage doit être plus qu'une simple cage creuse ; il doit être assez solide pour supporter le poids, assez poreux pour laisser circuler les vaisseaux sanguins et les nutriments, et assez actif chimiquement pour encourager les cellules à construire de nouveaux tissus. La nature a déjà résolu ce problème dans les carapaces des crustacés et les écailles des poissons, où des couches de matériaux sont entrelacées selon un motif en spirale pour créer des structures à la fois robustes et flexibles. Les scientifiques appellent cela la structure de Bouligand. Le défi pour les ingénieurs est de recréer ce design naturel d'une manière qui imite l'os humain sans être trop rigide, ce qui pourrait affaiblir et dissoudre l'os environnant, ou trop faible pour soutenir le corps.

Une équipe de chercheurs de l'Institut de technologie de Vellore, en Inde, s'est donné pour mission de concevoir et de construire un nouveau type d'échafaudage osseux qui combine cette architecture en spirale avec un mélange spécial de matériaux. Ils voulaient créer une structure qui non seulement supporte le poids, mais génère également de minuscules signaux électriques lorsqu'elle est compressée, une propriété connue sous le nom de piézoélectricité. Dans le corps humain, l'os naturel produit ces signaux électriques lorsqu'il supporte une charge, et ces signaux aident à dire aux cellules osseuses de croître et de se réparer elles-mêmes. Pour y parvenir, les chercheurs ont mélangé une céramique semblable à l'os, l'hydroxyapatite, avec une céramique piézoélectrique, le titanate de baryum, et une infime quantité de matériau de carbone conducteur appelé graphène. Ils ont utilisé des simulations informatiques pour tester des milliers de combinaisons différentes de ces matériaux et de différents niveaux de porosité, à la recherche de l'équilibre parfait où l'échafaudage est solide, laisse circuler les fluides et génère juste la bonne quantité d'électricité pour aider l'os à guérir.

Les chercheurs ont commencé par modéliser de minuscules cubes de leur mélange de matériaux pour prédire comment les différents ingrédients se comporteraient ensemble. Ils ont découvert que l'ajout de titanate de baryum rendait le matériau plus rigide et plus actif électriquement, tandis que le graphène aidait à conduire la charge électrique plus efficacement. Cependant, ils ont également découvert qu'un excès de matériau piézoélectrique pouvait être nocif pour les cellules, la recherche de la quantité exacte était donc cruciale. Ils ont ensuite transposé ces résultats à l'échelle supérieure pour concevoir des échafaudages de taille réelle avec une structure stratifiée en spirale. À l'aide de la modélisation informatique avancée, ils ont simulé la façon dont ces échafaudages supporteraient la pression et comment l'eau circulerait à travers leurs pores. Les simulations ont montré qu'un échafaudage composé de 70 % de matière solide et de 30 % d'espace vide offrait le meilleur équilibre. Ce design spécifique, composé d'un mélange de 90 % d'hydroxyapatite, 9,9 % de titanate de baryum et 0,1 % de graphène, correspondait à la rigidité de l'os spongieux humain dense et générait un signal électrique dans la plage bénéfique et sécuritaire pour la croissance osseuse.

Une fois le design informatique finalisé, l'équipe est passée au laboratoire pour le construire. Ils ont mélangé les poudres céramiques avec un liant liquide pour créer une pâte épaisse, semblable à une argile lourde, qu'ils ont chargée dans une imprimante 3D. L'imprimante fonctionnait comme un pistolet à colle de haute précision, extrudant de fines brins de la pâte couche par couche. Les chercheurs ont dû ajuster soigneusement la vitesse d'impression et la pression utilisée pour pousser la pâte, afin de garantir que les brins conservent leur forme sans s'effondrer ou trop s'étaler. Ils ont testé différentes concentrations de liant pour trouver celle qui permettait aux brins de rester fermes immédiatement après l'impression. Avec les bons réglages, ils ont réussi à imprimer la structure complexe en spirale, créant un objet solide doté d'un réseau de minuscules trous connectés traversant l'ensemble.

Le produit final était un petit cylindre blanc et poreux qui ressemblait à un nid d'abeilles miniature, mais avec un motif interne tourné et stratifié. Lorsque les chercheurs ont examiné l'objet imprimé au microscope, ils ont confirmé que les différents matériaux étaient mélangés uniformément et que les brins étaient solides et homogènes. Les modèles informatiques avaient prédit que ce design spécifique permettrait au fluide de circuler à travers lui à un taux similaire à celui de l'os humain naturel, et la structure physique a confirmé ce potentiel. L'étude démontre qu'en copiant le design en spirale de la nature et en mélangeant soigneusement des matériaux spécifiques, il est possible de créer un échafaudage qui est mécaniquement compatible avec le corps humain et capable de stimuler la croissance osseuse par des signaux électriques. Bien que les chercheurs notent que des tests supplémentaires sur des systèmes vivants sont nécessaires pour confirmer l'efficacité de ces échafaudages à l'intérieur d'un corps, la conception et la fabrication réussies de cette structure marquent une étape importante vers des traitements plus performants et plus efficaces pour les blessures osseuses graves.