Extrusion-based 3D printing of 3YSZ–calcium phosphate composite scaffolds
Cette étude démontre que l'impression 3D par extrusion de composites 3YSZ–phosphate de calcium permet de produire avec succès des échafaudages légers, mécaniquement robustes et biocompatibles, présentant une densité et une stabilité de phase biomimétiques pour l'os, adaptées à l'ingénierie du tissu osseux.
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Le squelette humain est une merveille d'ingénierie, équilibrant le besoin d'être assez solide pour porter notre poids et le besoin d'être assez léger pour bouger. Lorsqu'un os est perdu à la suite d'une blessure ou d'une maladie, les médecins se tournent souvent vers des implants pour le remplacer. Depuis des décennies, les meilleurs matériaux pour ces remplacements sont des métaux comme le titane ou des céramiques comme la zircone, choisis pour leur incroyable résistance et leur capacité à survivre à l'intérieur du corps sans se corroder. Cependant, ces matériaux présentent un inconvénient majeur : ils sont beaucoup plus denses et rigides que l'os naturel. Ce décalage peut affaiblir l'os environnant au fil du temps, un peu comme une botte lourde écrasant le sol meuble en dessous. D'un autre côté, les matériaux qui imitent la composition chimique de l'os, tels que le phosphate de calcium, sont excellents pour encourager le corps à produire de nouveaux tissus, mais ils sont souvent trop fragiles pour supporter des charges lourdes. Le défi pour les scientifiques a été de créer un matériau qui soit à la fois assez solide pour supporter le poids et assez léger pour correspondre à l'os qu'il remplace, tout en pouvant être façonné en structures complexes adaptées à l'anatomie unique d'un patient.
Une équipe de chercheurs de l'Université NOVA de Lisbonne et de l'Université de Lisbonne a franchi une étape vers la résolution de ce problème en développant un nouveau type de composite céramique en utilisant une technique appelée impression 3D par extrusion. Au lieu d'essayer d'imprimer un seul matériau, ils ont mélangé deux composants distincts dans une encre épaisse, semblable à une pâte. Le premier composant était la 3YSZ, une forme de zircone robuste et stabilisée thermiquement, connue pour sa durabilité dans les applications dentaires et médicales. Le second était le phosphate de calcium, une substance chimiquement similaire au minéral présent dans les dents et les os humains, connue pour aider le corps à s'intégrer à un implant. En imprimant ces pâtes couche par couche, puis en les cuisant dans un four à haute température, l'équipe a créé des structures cylindriques qui combinent la force de la zircone avec la nature biocompatible du phosphate de calcium.
Les chercheurs ont découvert que le simple fait d'ajouter du phosphate de calcium à la pâte de zircone avait un effet profond sur le produit final. Les céramiques de zircone pure sont extrêmement denses, pesant plus de 3,5 grammes par centimètre cube, ce qui est bien plus lourd que l'os naturel. Cependant, en incorporant entre 30 et 45 pour cent de phosphate de calcium dans le mélange, l'équipe a pu abaisser la densité des objets imprimés à une plage de 2,2 à 2,5 grammes par centimètre cube. Cette nouvelle densité est remarquablement proche de celle de l'os cortical naturel, résolvant ainsi efficacement le problème de poids sans sacrifier l'intégrité structurelle du matériau. Pour garantir que le matériau puisse être imprimé de manière fluide, l'équipe a également testé l'ajout de graphite au mélange, qui a agi comme un support temporaire s'évaporant lors du processus de chauffage, laissant derrière lui de minuscules pores qui réduisent encore le poids.
Au-delà du simple changement de poids, l'équipe a examiné attentivement ce qui se passait au niveau microscopique des matériaux lors de leur chauffage. Ils ont constaté que la zircone conservait sa structure cristalline la plus forte et la plus stable, même après avoir été chauffée à des températures allant jusqu'à 1450 degrés Celsius. Parallèlement, le phosphate de calcium s'est transformé en phases spécifiques connues sous le nom d'hydroxyapatite et de bêta-phosphate tricalcique, qui sont les minéraux exacts que le corps utilise pour construire de nouveaux os. Cette structure biphasique signifiait que l'objet final n'était pas seulement un mélange de deux poudres, mais un matériau cohérent où la zircone robuste fournissait un squelette auquel le phosphate de calcium bioactif pouvait s'accrocher. Les chercheurs ont confirmé ces changements à l'aide d'imagerie avancée et de techniques de diffusion de la lumière, vérifiant que le matériau restait stable et ne se décomposait pas en formes plus faibles durant le processus de fabrication.
Le véritable test de tout matériau de remplacement osseux est de savoir s'il peut résister aux forces physiques du corps et si les cellules vivantes l'accepteront. Lorsque les chercheurs ont testé la résistance de leurs meilleurs échantillons, qui contenaient 35 pour cent de phosphate de calcium, ils ont constaté qu'ils pouvaient supporter une force de compression de 180 mégapascals. Ce niveau de résistance se situe tout à fait dans la gamme de l'os humain naturel, prouvant que le matériau est assez robuste pour des applications de support de charge. De plus, lorsqu'ils ont placé des fibroblastes humains, un type de cellule de tissu mou, sur les disques imprimés, les cellules ont crû et prospéré aussi bien sur le nouveau matériau que sur des boîtes de laboratoire en plastique standard. Cela suggère que le matériau n'est pas toxique pour les tissus vivants et offre une surface conviviale pour l'attachement des cellules, une première étape cruciale pour tout implant espérant s'intégrer au corps.
Bien que les résultats soient prometteurs, les chercheurs notent qu'il s'agit d'une étape préliminaire. Les échantillons qu'ils ont créés étaient des cylindres pleins, alors que les véritables échafaudages osseux doivent souvent être creux ou remplis d'un réseau de trous pour permettre la croissance des vaisseaux sanguins. Ils ont également observé que les échantillons contenant des quantités très élevées de phosphate de calcium devenaient trop fragiles pour être manipulés, indiquant qu'il existe une limite à la quantité de matériau semblable à l'os qui peut être ajoutée avant que la structure ne perde sa force. L'équipe a conclu que sa méthode avait réussi à créer un composite céramique léger, solide et biologiquement compatible, mais que les travaux futurs devront se concentrer sur le perfectionnement de l'architecture interne de ces structures et sur des tests avec des cellules formatrices d'os et chez des animaux vivants pour voir s'ils peuvent réellement régénérer l'os dans un cadre clinique.
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