Cet article est publié dans le cadre de la Fête de la science (qui a lieu du 1er au 11 octobre 2021 en métropole et du 5 au 15 novembre 2021 en outre-mer et à l’international), et dont The Conversation France est partenaire. Cette nouvelle édition aura pour thème : « Eureka ! L’émotion de la découverte ». Retrouvez tous les événements de votre région sur le site Fetedelascience.fr.
L’os est un organe qui peut se réparer naturellement par le biais de divers mécanismes. C’est ce que l’on appelle la régénération osseuse naturelle.
Dans certains cas néanmoins, lorsque le traumatisme est trop important ou que l’os est atteint de pathologie, comme l’ostéoporose, il est nécessaire de faire appel à des greffes osseuses ou à l’installation d’implants.
Le recours à ces derniers peut néanmoins, pour le moment, mener à des complications ou à un retrait après un certain temps dans le corps par le biais d’une chirurgie. L’une des causes des complications est une mauvaise vitesse de dégradation de la prothèse.
Si celle-ci se détériore trop rapidement, cela laisse un vide à combler à l’os qui n’aura pas eu le temps de se régénérer. Dans le cas inverse, une dégradation trop lente de la prothèse va gêner la régénération osseuse. C’est pourquoi il est nécessaire de pallier ce problème.
Le temps de traitement et le coût des prothèses actuelles sont par ailleurs particulièrement élevés. L’objectif est donc de concevoir une prothèse à moindre coût, en un court laps de temps et favorisant la régénération osseuse.
C’est un sujet qui a attiré mon attention, car il se rapprochait d’un projet effectué lors de mes études en lien avec le secteur médical, et qu’il portait sur une application concrète. Le domaine de l’impression 4D étant par ailleurs complètement nouveau, le thème a piqué ma curiosité et mon désir d’en savoir davantage.
Un biomatériau à la « poudre d’os »
L’usage des polymères, que l’on peut associer 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 possèdent des propriétés similaires aux os, tout en étant acceptés par le corps humain, du fait de leur biocompatibilité.
Pour autant, 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 possède alors une composition similaire à l’os.
Afin d’élaborer le biomatériau qui constituera la prothèse, les polymères et l’hydroxyapatite vont être mélangés à chaud au sein d’une extrudeuse – une sorte de hachoir à saucisse. Le biomatériau obtenu se retrouve alors sous la forme d’un filament ou de granulés. C’est une étape cruciale qui implique d’optimiser les paramètres d’élaboration et d’éviter le moins possible des blocages et par conséquent une perte de temps. Il est alors agréable d’observer sans difficulté l’élaboration de ces filaments et granulés.
Un objet imprimé en 3D
Il ne reste alors plus qu’à mettre en forme la prothèse, et pour y parvenir toujours à faible coût et en un temps minime, 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 couche par couche la matière à l’état fondu.
En refroidissant, elle se solidifie, formant ainsi 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.
À l’aide d’un logiciel de modélisation, il est possible d’assembler des formes géométriques simples comme des cylindres, des cubes… pour constituer la structure de l’objet sous la forme d’un fichier STL. Celui-ci constitue le plan d’élaboration 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 ou buse d’impression.
Stimulus et dégradation de la prothèse
Seulement, afin de répondre à la problématique de vitesse de dégradation, une quatrième dimension va intervenir : le temps. On parle alors d’impression 4D.
Cette dernière possède le même principe que l’impression 3D, exception faite qu’à la suite de ce procédé, l’objet imprimé va changer de forme, de propriété ou de fonctionnalité avec le temps, sous l’action d’un stimulus extérieur.
Celui-ci peut prendre la forme de la chaleur, de la lumière, de l’humidité ou encore d’un champ électrique/électromagnétique. Autrement dit, un objet imprimé 4D ayant la forme d’un bourgeon pourrait s’ouvrir en une fleur sous l’action d’un stimulus extérieur.
Dans le cadre de notre projet de recherche, des irradiations sont utilisées comme stimulus externe dans le but de modifier prématurément le biomatériau obtenu. C’est un peu comme un vieillissement prématuré de la matière afin de modifier la vitesse de dégradation et donc le temps de vie de la prothèse. Tout cela ne représente évidemment aucun danger pour le corps humain.
Des défis à chaque étape
Les analyses sur le biomatériau s’effectuent donc à chaque étape de l’élaboration de la prothèse afin de s’assurer que ses propriétés demeurent 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 selon le biomatériau utilisé, afin d’obtenir des prototypes comportant le moins de défauts possible. Tout comme lors de l’élaboration du biomatériau en filament ou granulés, trouver les bons paramètres d’impression durant l’optimisation est particulièrement long et nécessite de réaliser des centaines voire des milliers d’essais qui se soldent souvent par des échecs. Lorsqu’enfin l’impression se déroule sans encombre, imaginez la satisfaction de voir apparaître les prototypes de prothèse que nous avons conçus.
Désormais, il s’agit pour nous de déterminer la dose d’irradiation adéquate afin que la vitesse de dégradation de la prothèse imprimée en 4D soit la même que la vitesse de régénération osseuse, tout en maintenant les propriétés mécaniques de la prothèse.
Ce travail permettrait d’obtenir une prothèse à moindre coût et en un court laps de temps avec des propriétés similaires aux os, et qui avec le temps disparaîtrait sans laisser de trace pour qu’il ne reste plus que l’os.
Bien que ce projet nécessite encore beaucoup de travail, il est très gratifiant d’apporter sa pierre à u qui pourrait aider de nombreuses personnes.