Reconstruction accélérée d'un défaut osseux de la calvaire de rat en utilisant la 3D

May 20, 2023

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 12145 (2023) Citer cet article

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L’auto-guérison et la greffe osseuse autologue des défauts calvaires peuvent s’avérer difficiles. Par conséquent, la fabrication d’échafaudages permettant une réparation rapide et efficace constitue un domaine de recherche prometteur. Cet article fournit une étude comparative sur la capacité des échafaudages en polycaprolactone (PCL) imprimés en trois dimensions (3D) et du PCL modifié avec les échafaudages biocéramiques d'hydroxyapatite (HA) et de bioglasses (BG) dans les os nouvellement formés dans la zone de défaut de la calvaria. Les échafaudages PCL imprimés en 3D étudiés ont été fabriqués par modélisation couche par couche par dépôt fondu. Après avoir évalué l’adhésion cellulaire à la surface des échafaudages, ceux-ci ont été implantés dans un modèle de défaut calvarial de rat. Les rats ont été divisés en quatre groupes avec une greffe d'échafaudage comprenant PCL, PCL/HA, PCL/BG et PCL/HA/BG et un groupe témoin sans explantation. La capacité des échafaudages imprimés en 3D dans la régénération osseuse calvariale a été étudiée à l’aide de tomodensitométries micro-calculées et d’analyses histologiques et immunohistochimiques. Enfin, les niveaux d'expression de plusieurs gènes liés aux os ainsi que l'expression de miR-20a et miR-17-5p en tant que régulateurs positifs et de miR-125a en tant que régulateur négatif dans les voies de l'ostéogenèse ont également été étudiés. Les résultats de cette étude comparative ont montré que les échafaudages PCL avec biocéramiques HA et BG ont un large éventail d'applications potentielles dans le domaine du traitement des défauts de la calvaire.

Le type de blessure le plus courant est la fracture osseuse qui peut être causée par le vieillissement, des défaillances métaboliques, des accidents ou un traumatisme1. L’os a la capacité de se régénérer et de se réparer lors de petites blessures2,3. Mais les fractures osseuses importantes nécessitent une transplantation, ce qui pose un défi clinique important4. La régénération osseuse via l'implantation d'une matrice dans la zone affectée est une approche alternative5. Une autre méthode appropriée pour le traitement des fractures osseuses, de l’ostéoporose et des anomalies osseuses est l’ingénierie des tissus osseux, qui combine des matériaux artificiels, la technologie biomédicale et des cellules souches renouvelables6. Les échafaudages artificiels affectent de manière significative le transport de masse et soutiennent la prolifération, l’adhésion et la croissance cellulaire7. Une biodégradabilité contrôlée, une résistance mécanique appropriée et une structure de pores interconnectés avec la taille de pores et la porosité souhaitées pour la croissance cellulaire sont les caractéristiques d'un échafaudage idéal8,9. Un échafaudage osseux approprié doit avoir un système poreux interconnecté avec une porosité d'environ 65 % et une taille de pores d'environ 200 à 800 µm, afin d'imiter la structure poreuse d'un os naturel10. Il existe un grand intérêt pour le développement de méthodes de construction permettant d’augmenter la fonctionnalité des échafaudages. La technologie d’impression tridimensionnelle (3D) a été largement utilisée dans le domaine de l’ingénierie de régénération des tissus biomédicaux, qui utilise un logiciel de conception assistée par ordinateur (CAO) pour construire des structures 3D complexes11,12,13. Grâce aux progrès de la technologie médicale, les chirurgiens ont pu scanner les anomalies du crâne des patients à l'aide d'un scanner et préparer un modèle d'échafaudage 3D basé sur des données numériques en utilisant des biomatériaux pour aider à reconstruire les déformations du crâne14,15,16,17,18. . L’une des technologies d’impression 3D les plus courantes et les plus rentables est la technique de modélisation par dépôt fondu (FDM), qui peut être utilisée pour fabriquer des échafaudages en injectant les biomatériaux couche par couche à partir d’une buse à température contrôlée17. Un exemple de biomatériaux est la poly-ε-caprolactone (PCL), un polymère biocompatible, approuvé par la Food and Drug Administration (FDA). Mais le PCL ne convient pas à la fixation et à la prolifération cellulaires en raison de son hydrophobie de surface19. Par conséquent, l’utilisation de ce polymère peut être limitée dans la construction d’échafaudages d’ingénierie tissulaire. Pour résoudre ce problème, des céramiques bioactives telles que l’hydroxyapatite (HA) et les verres bioactifs (BG), similaires à la phase minérale osseuse, sont utilisées pour améliorer la fixation cellulaire des échafaudages PCL. Les échafaudages céramiques bioactifs peuvent entraîner de fortes liaisons chimiques avec le tissu osseux, en raison de la formation de couches osseuses de type HA20. Par conséquent, les céramiques bioactives sont les matériaux les plus largement utilisés en ingénierie des tissus osseux en raison de leur potentiel élevé de liaison avec l’os et de leur effet stimulant sur la formation de nouveaux os21. HA (Ca5(PO4)3(OH)) est un composant minéral naturel de l'os et présente d'excellentes propriétés de bioactivité, de biocompatibilité, de bioconductivité, de non-toxicité et non-inflammatoires. Il est très dur mais fragile et sa dégradation à l'intérieur du corps est très lente, c'est pourquoi il est utilisé avec des polymères naturels ou synthétiques pour fabriquer des échafaudages22. L’HA est bénéfique pour la formation osseuse car elle stimule les facteurs de croissance tels que les protéines morphogénétiques osseuses (BMP)23. La BG est l'une des biocéramiques les plus prometteuses avec une bonne biocompatibilité in vitro et in vivo et après avoir été placée dans un liquide biologique, la BG produit des couches d'HA bioactives, qui se lient aux tissus biologiques et améliorent la formation osseuse. Les inconvénients de la BG sont sa faible résistance et sa fragilité24. Les microARN (miARN) sont une classe d'ARN simple brin endogènes, conservés au cours de l'évolution, d'une longueur d'environ 21 à 23 nucléotides, agissant comme des régulateurs post-transcriptionnels en ciblant les régions non traduites en 3' (UTR) d’ARNm cibles pour coordonner un large éventail de processus biologiques25. Ces dernières années, la relation entre les miARN et la formation osseuse a attiré beaucoup d’attention. Des études ont montré que les miARN ont un effet régulateur sur la différenciation ostéoblastique et le développement osseux26.