Un nanocomposite biodégradable et imprimable en 3D, pour la greffe osseuse

Ce nouveau matériau est composé de nanoparticules d’hydroxyapatite, un matériau bien connu du monde médical, puisque ce minéral de la famille des phosphates est le principal composant des os, de la dentine et de l’émail dentaire.

Si ce matériau est utilisé dans les applications médicales depuis sa mise en production industrielle dans les années 1980, la démocratisation récente des technologies d’impression 3D a initié le développement de matériaux spécifiques à ces procédés, notamment des nanocomposites.

Un nanocomposite à base d’hydroxyapatite nanostructurée

Selon la docteur Maud Gorbet, Professeure à l’Université de Waterloo, les particules d’hydroxyapatite jouent de multiples rôles au sein de ce nanocomposite, car « elles offrent un renforcement mécanique, rendant le matériau plus rigide et plus solide. Elles créent également une surface favorable pour que le matériau se combine avec les cellules osseuses. »

Par ailleurs, l’utilisation potentielle de matériaux contenant de l’hydroxyapatite nanostructurée pour la greffe a été confirmée par de récents travaux de recherche^[1], les tissus osseux étant capables d’interagir avec le greffon et de le remplacer progressivement.

Une aptitude à l’impression améliorée par l’ajout de diacrylate de triglycerol (TGDA)

L’hydroxyapatite est donc le matériau idéal pour la fabrication sur mesure d’os artificiels. Mais pour être imprimable, par exemple en Direct Ink Writing (DIW), l’hydroxyapatite doit être associée à des liants et résines organiques qui permettent la polymérisation.

Le communiqué de presse publié sur le site de l’université ne précise pas la nature exacte du nanocomposite et des liants utilisés par les chercheurs. On sait seulement que le matériau combine « un triglycéride similaire à la graisse avec une particule à l’échelle nanométrique appelée hydroxyapatite ».

Pour en savoir plus, il faut s’en référer aux travaux récents de l’équipe dirigée par le docteur Thomas Willett. Dans un papier publié en 2024 dans le Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, les chercheurs expliquent comment l’ajout de TGDA, une substance chimique appelée diacrylate de triglycerol, permet d’améliorer les liaisons hydrogène lorsqu’elle est ajoutée à une résine polyéthylène glycol diacrylate, fabriquée à partir d’huile de soja époxydée.

Le procédé fonctionne, mais des optimisations sont encore nécessaires

Les chercheurs ont réussi à prouver qu’il était possible d’obtenir de véritables os artificiels par impression 3D, avec ce matériau. Pour s’en convaincre, il suffit de regarder cette vidéo.

Dans le communiqué, Thomas Willet déclare ainsi « nous pouvons prendre des tomodensitogrammes et utiliser la conception assistée par ordinateur pour développer un modèle pour le morceau d’os qui doit être imprimé. »

Et il précise : « nous pourrions utiliser ce processus pour n’importe quel os qui a perdu un gros morceau ou qui a une géométrie complexe. »

Voilà pour la faisabilité. Mais pour l’équipe, le défi est dorénavant l’optimisation du matériau, afin de trouver l’équilibre entre imprimabilité, propriétés mécaniques, durabilité et vitesse de biodégradation.

[1] Notamment cette étude parue dans le Journal of Biomedical Materials Research en 2024