Impression 3D de composites à base de nanocristaux de cellulose pour construire des échafaudages biomimétiques robustes pour l'ingénierie des tissus osseux

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 21244 (2022) Citer cet article

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Les nanocristaux de cellulose (CNC) suscitent une attention croissante dans les domaines de la biomédecine et de la santé en raison de leur durabilité, de leur biocompatibilité, de leur biodégradabilité et de leurs excellentes propriétés mécaniques. Ici, nous avons fabriqué à l’aide de la technologie de modélisation par dépôt fondu des échafaudages composites 3D à partir d’acide polylactique (PLA) et de CNC extraits de Ficus thonningii. La microscopie électronique à balayage a révélé que les échafaudages imprimés présentent des pores interconnectés avec une taille moyenne estimée des pores d'environ 400 µm. L'incorporation de 3 % (p/p) de CNC dans le composite a amélioré les propriétés mécaniques du PLA (le module de Young a augmenté d'environ 30 %) et la mouillabilité (l'angle de contact avec l'eau a diminué d'environ 17 %). Le processus de minéralisation des échafaudages imprimés utilisant un fluide corporel simulé a été validé et la nucléation de l'hydroxyapatite confirmée. De plus, les tests de cytocompatibilité ont révélé que les échafaudages PLA et CNC basés sur le PLA sont non toxiques et compatibles avec les cellules osseuses. Notre conception, basée sur l’impression 3D rapide de composites PLA/CNC, combine la capacité de contrôler l’architecture et d’améliorer les propriétés mécaniques et biologiques des échafaudages, ce qui ouvre des perspectives d’applications en ingénierie des tissus osseux et en médecine régénérative.

Le développement de matériaux pour l’ingénierie osseuse reste un défi en raison de la complexité de la structure osseuse naturelle et de l’environnement biomécanique. Pour réparer le tissu osseux endommagé, des autogreffes de différents os sont prélevées et utilisées pour remplacer les os manquants. Les allogreffes moins disponibles sont décourageantes1,2,3, et les jonctions artificielles utilisées comme implants doivent souvent être retirées après cicatrisation4. Récemment, de nouvelles stratégies de réparation osseuse ont émergé, notamment la médecine régénérative assistée par échafaudage utilisée pour favoriser la croissance osseuse5.

Un échafaudage osseux idéal devrait être une matrice tridimensionnelle capable d’imiter la composition et la structure complexes de l’os pour la fixation et la prolifération des cellules6. Par conséquent, il nécessite une biocompatibilité, une biodégradabilité, une non-toxicité élevées, d’excellentes propriétés mécaniques et une architecture appropriée en termes de porosité et de taille de pores pour s’intégrer au tissu hôte natif7. La composition chimique et les caractéristiques physico-chimiques de l’échafaudage, influençant directement les performances mécaniques et biologiques8, sont donc des paramètres importants à étudier.

Les biopolymères synthétiques ont été largement utilisés en ingénierie des tissus osseux en raison de leur biocompatibilité et de leur capacité à contrôler les propriétés physicochimiques de la structure. Ils sont constitués de polyesters aliphatiques tels que l'acide polyglycolique (PGA), la polycaprolactone (PCL) et l'acide polylactique (PLA)9. Malheureusement, ils sont plutôt fragiles et perdent généralement leur résistance en raison d’une dégradation rapide in vivo. De plus, leur caractère hydrophobe gêne la fixation et la prolifération des cellules osseuses10. Pour pallier ces limitations, les échafaudages à base de polymères synthétiques, notamment PLA ou PCL, peuvent être améliorés en incorporant des renforts polymères naturels tels que la cellulose11,12,13,14,15, l'alginate16, la gélatine17, le chitosane18,19 ou la kératine20 connus pour leurs caractéristiques intéressantes.

Plusieurs techniques, notamment le coulage de solvants et la lixiviation de particules, la lyophilisation d'émulsion, la séparation de phases ou l'électrofilage21,22,23, sont utilisées pour développer des échafaudages pour l'ingénierie des tissus durs. Cependant, ils ne permettent pas un contrôle efficace de la morphologie et de la porosité.

La fabrication additive s’est avérée être une technique de choix pour concevoir et préparer des matériaux biomimétiques de réparation osseuse. Les architectures d'échafaudages contrôlées en 3D affectent de manière significative les propriétés mécaniques ainsi que l'adhésion et la prolifération des cellules osseuses2,24,25,26,27,28. Par conséquent, divers travaux se sont concentrés sur le développement d’échafaudages imprimés en 3D à l’aide de diverses technologies, telles que la stéréolithogaphie, le traçage 3D, le frittage sélectif au laser, la bio-impression et la modélisation des dépôts fondus (FDM). Le FDM est la technologie de fabrication additive la plus utilisée. C'est une technique simple et rapide à faible coût offrant de grandes possibilités de manipulation des polymères.