Caractérisation multimodale de l’ostéointégration et du remodelage osseux en fonction de l’environnement

Multimodal characterization of osseointegration and bone remodeling in function of the environment

• Auteur / Autrice : Florian Guillaume
• Direction : Guillaume Haiat, Yvan Petit
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 12/03/2021
• Etablissement(s) : Paris Est en cotutelle avec Université du Québec. École de technologie supérieure
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Modélisation et simulation multi échelle (Marne-la-Vallée) - Laboratoire Modélisation et Simulation Multi-Echelle / MSME
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Biomécanique (BIOMECA)
• Jury : Président / Présidente : Catherine Laporte
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Guillaume Haiat, Yvan Petit, Catherine Laporte, Michel Behr, Heidi-Lynn Ploeg, Eric Wagnac, Sophie Le cann
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Michel Behr, Heidi-Lynn Ploeg

Mots clés

Mots clés contrôlés

Os -- Régénération (biologie)

Ostéo-intégration

Mots clés libres

Os

Culture ex-Vivo

Bioréacteur

Implant

Tomographie par neutrons

MicroCT

Bone

Ex-Vivo culture

Bioreactor

Implant

Neutron tomography

MicroCT

Résumé

Le développement du tissu osseux, en particulier au contact d’un implant (ostéointégration), est un phénomène dépendant de multiples facteurs relatifs au patient, à la chirurgie et aux propriétés de l’implant. Pour mieux comprendre l’ostéointégration et l’optimiser, de nombreuses approches ont été utilisées, aussi bien in vitro qu’in vivo. L’objectif de cette étude est de caractériser les phénomènes d’ostéointégration. Pour ce faire, deux approches complémentaires ont été mises en oeuvre afin d’étudier l’os et son interface avec l’implant tout en contrôlant l’environnement du tissu osseux. Premièrement, une méthodologie ex vivo a été adoptée pour étudier le tissu osseux. Un bioréacteur à perfusion a été conçu afin de caractériser le développement d’échantillons osseux de grande taille (environ 1 cm3) sur une période de dix semaines. Une culture osseuse a été menée et analysée par microtomographie à rayons X (μCT). L’analyse par recalage des images volumiques en début et fin de culture a permis de mettre en évidence l’importance des facteurs environnementaux pour mettre en place du remodelage osseux. Deuxièmement, un modèle d’implant in vivo a consisté à utiliser une pastille en alliage de titane pour étudier l’ostéointégration. Muni d’une couronne de PTFE, formant une chambre osseuse au contact de l’implant, ce modèle permet de distinguer l’os nouvellement formé de l’os mature situé en dehors de la chambre. Le tissu osseux autour de l’implant a été caractérisé par tomographie par neutrons, afin de s’affranchir des artéfacts obtenus avec l’implant métallique lors de l’utilisation des rayons X. En premier lieu, cette technique a été comparée à l’histologie, technique de référence pour l’étude de l’interface os-implant. Un recalage d’images a été utilisé pour trouver les images 2D neutrons correspondant aux coupes histologiques. Les quantités d’os dans la chambre osseuse et au contact avec l’implant (BIC) ont été évaluées dans ces images 2D pour chacune des techniques. À la suite de cette étude comparative, la chambre osseuse, imagée par tomographie par neutrons, a été analysée en 3D afin de mettre en lumière une répartition particulière de l’os proche de l’implant. L’étude comparative avec l’histologie a confirmé la capacité de la tomographie par neutrons à distinguer le tissu osseux, avec une corrélation significative entre les deux modalités pour la quantité osseuse et le BIC. De plus, cette technique s’est aussi montrée sensible aux tissus mous, différenciables de l’os dans les images volumiques. L’analyse tridimensionnelle de la chambre osseuse a mis en évidence une répartition du tissu cohérente avec de l’ostéointégration de contact, c’est-à-dire une croissance osseuse à partir des surfaces synthétiques (ici l’implant et la couronne de PTFE). La combinaison des approches in vivo et ex vivo, et des techniques d’analyse (histologie, tomographie par neutrons, μCT) permet d’apporter de nouvelles clés dans la compréhension du tissu osseux et des modèles appliqués en recherche. Bien que complexe à mettre en place, l’étude ex vivo permet d’isoler efficacement l’effet des facteurs étudiés. De plus, l’apport de nouvelles techniques de caractérisation de l’os, comme la tomographie par neutrons, offre de nouvelles perspectives d’étude du tissu, en particulier dans un contexte d’ostéointégration d’implants.

Bone tissue development, particularly in the vicinity of an implant (osseointegration), is a multi-factorial phenomenon depending on the patient, the surgery and the properties of the implant. For a better understanding of osseointegration in order to optimize it, several approaches were used, both in vitro and in vivo. The objective of this study is to characterize osseointegration phenomena. To do so, two complementary approaches were adopted to study bone and its interface with an implant, while controlling the environment of bone tissue.First, an ex vivo methodology was adopted to study bone tissue. A perfusion bioreactor was conceived to characterize the development of large-sized bone samples (about 1 cm3) during a 10-week period. A bone culture was carried out and analyzed with X-ray microtomography (μCT). An analysis through registration of volume images from the beginning and the end of the culture allowed to point out the importance of environmental factors to initiate bone remodeling.Second, an in vivo implant model consisted in using a coin-shaped implant in titanium alloy to study osseointegration. Dressed with a PTFE crown, creating an empty bone chamber in contact to the implant, this model allows the differentiation of newly formed bone from mature bone situated outside the chamber. Neutron tomography was adopted to characterise bone tissue around the implant, and allowed to avoid artifacts obtained with metallic implants while using X-rays. First, this technique was compared to histology, a reference technique in studying the bone-implant interface. To do so, an image registration procedure was used to find the 2D neutron images corresponding to the histologic slices. Bone quantities in the bone chamber and in contact with the implant (BIC) were evaluated in the 2D images for both techniques. Following the comparative analysis, the implant bone chamber, imaged with neutron tomography, was analyzed in 3D to highlight a specific bone repartition in the vicinity of the implant. The comparative study with histology allowed to confirm the ability of neutron tomography to discriminate bone tissue, with a significant correlation between both modalities for bone quantity and BIC. Moreover, this technique was shown as sensitive to soft tissues, which can be differentiated from bone tissue in volume images. Tridimensional analysis of the bone volume delimited by the PTFE crown and the implant highlighted a bone repartition corresponding to contact osseointegration, meaning a bone growth from synthetic surfaces (here the implant and the PTFE crown).Combination of in vivo and ex vivo approaches with analysis techniques (histology, neutron tomography, X-ray μCT) have brought new keys in the understanding of bone tissue and its models adopted in research. Although complex to set up, ex vivo study allows to effectively isolate the effect of the studied factors. Moreover, new technologies to characterise bone, as neutron tomography, bring new perspectives to study the tissue, particularly in a context of osseointegration of implants.