Comment les chercheurs conçoivent la prothèse du futur, imprimée en 4D et biodégradable

2021-11-26 03:56:07 By : Ms. Le Qi

Doctorant en science des matériaux, Université de Reims Champagne-Ardenne (URCA)

Conrad Mastalerz est membre de l'Université de Reims Champagne-Ardenne et du projet MIPPI4D. Il a reçu des financements de la région Grand Est et de la Chaire Matur.

La région Grand Est apporte son financement en tant que partenaire stratégique de The Conversation FR.

L'Université de Reims Champagne-Ardenne apporte son financement en tant que membre de The Conversation FR.

L'os est un organe qui peut se réparer naturellement par divers mécanismes. C'est ce qu'on appelle la régénération osseuse naturelle.

Dans certains cas cependant, lorsque le traumatisme est trop important ou que l'os est atteint d'une pathologie, comme l'ostéoporose, il est nécessaire de recourir à des greffes osseuses ou à la pose d'implants.

Cependant, l'utilisation de ceux-ci peut, pour le moment, entraîner des complications ou un retrait après un certain temps dans le corps par le biais d'une intervention chirurgicale. Une des causes des complications est un faible taux de dégradation de la prothèse.

S'il se détériore trop vite, il laisse un vide pour combler l'os qui n'aura pas eu le temps de se régénérer. Sinon, une dégradation trop lente de la prothèse gênera la régénération osseuse. C'est pourquoi il est nécessaire de surmonter ce problème.

Le temps de traitement et le coût des prothèses actuelles sont également particulièrement élevés. L'objectif est donc de concevoir une prothèse à moindre coût, dans des délais courts et favorisant la régénération osseuse.

C'est un sujet qui a retenu mon attention, car il s'apparentait à un projet réalisé durant mes études en lien avec le secteur médical, et qu'il concernait une application concrète. Le domaine de l'impression 4D étant également totalement nouveau, le sujet a piqué ma curiosité et mon envie d'en savoir plus.

L'utilisation de polymères, qui peuvent être associés à de grosses molécules ou plus grossièrement à du plastique, permet d'être la matière première de la prothèse. Les polymères ont un faible coût et certains d'entre eux ont des propriétés similaires à celles de l'os, tout en étant acceptés par le corps humain, en raison de leur biocompatibilité.

Cependant, n'utiliser que des polymères serait insuffisant pour améliorer la régénération osseuse. C'est pourquoi l'hydroxyapatite, considérée comme de la poudre d'os, est ajoutée pour former un biomatériau, qui a alors une composition similaire à l'os.

Afin de développer le biomatériau qui constituera la prothèse, les polymères et l'hydroxyapatite seront mélangés à chaud dans une extrudeuse - sorte de hachoir à saucisses. Le biomatériau obtenu se retrouve alors sous forme de filament ou de granulés. C'est une étape cruciale qui consiste à optimiser les paramètres de production et à éviter au maximum les blocages et donc une perte de temps. Il est alors agréable d'observer sans difficulté le développement de ces filaments et granules.

Il ne reste plus qu'à façonner la prothèse, et pour y parvenir toujours à moindre coût et en un minimum de temps, l'impression 3D s'y prête très bien. C'est un procédé qui va permettre d'obtenir un objet selon les trois dimensions de l'espace, en déposant le matériau couche par couche à l'état fondu.

En refroidissant, il se solidifie et forme l'objet final. Mais avant d'utiliser l'impression 3D, il est impératif de concevoir la structure de l'objet souhaité, en l'occurrence la prothèse.

A l'aide d'un logiciel de modélisation, il est possible d'assembler des formes géométriques simples telles que des cylindres, des cubes, etc. pour former la structure de l'objet sous la forme d'un fichier STL. Ceci constitue le plan de développement de l'objet nécessaire à l'imprimante 3D pour concevoir l'objet 3D.

Il devient alors possible d'imprimer l'objet en prenant soin d'optimiser les paramètres du procédé tels que la vitesse d'impression, la température de la tête d'impression ou de la buse.

Seulement, pour répondre au problème de vitesse de dégradation, une quatrième dimension interviendra : le temps. C'est ce qu'on appelle l'impression 4D.

Cette dernière a le même principe que l'impression 3D, sauf qu'à la suite de ce processus, l'objet imprimé va changer de forme, de propriété ou de fonctionnalité au fil du temps, sous l'action d'un stimulus externe. .

Cela peut prendre la forme de chaleur, de lumière, d'humidité ou même d'un champ électrique/électromagnétique. En d'autres termes, un objet imprimé en 4D en forme de bouton pourrait s'ouvrir en une fleur sous l'action d'un stimulus externe.

Dans le cadre de notre projet de recherche, les irradiations sont utilisées comme stimulus externe afin de modifier prématurément le biomatériau obtenu. C'est un peu comme un vieillissement prématuré du matériau afin de modifier la vitesse de dégradation et donc la durée de vie de la prothèse. Tout cela ne représente évidemment aucun danger pour le corps humain.

Des analyses sur le biomatériau sont donc réalisées à chaque étape du développement de la prothèse afin de s'assurer que ses propriétés restent proches de celles de l'os. Plusieurs biomatériaux contenant différentes quantités d'hydroxyapatite et de polymère sont testés pour déterminer le mélange optimal.

Vient ensuite l'optimisation des paramètres d'impression en fonction du biomatériau utilisé, afin d'obtenir des prototypes avec le moins de défauts possible. Comme pour le développement de biomatériau filamentaire ou granulé, trouver les bons paramètres d'impression lors de l'optimisation est particulièrement chronophage et nécessite des centaines voire des milliers de tests qui aboutissent souvent à des échecs. Lorsque l'impression se déroule enfin sans encombre, imaginez la satisfaction de voir apparaître les prototypes de prothèses que nous avons conçues.

Désormais, il nous appartient de déterminer la dose d'irradiation adéquate pour que le taux de dégradation de la prothèse imprimée en 4D soit le même que le taux de régénération osseuse, tout en conservant les propriétés mécaniques de la prothèse.

Ce travail permettrait d'obtenir une prothèse à moindre coût et dans un délai court avec des propriétés proches de l'os, et qui avec le temps disparaîtrait sans laisser de trace pour qu'il ne reste que l'os.

Bien que ce projet demande encore beaucoup de travail, il est très gratifiant de prêter main-forte à vous qui pourriez aider tant de personnes.

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