Innovative hybrid biomaterials and in vivo evaluation

• Auteur / Autrice : Youzhuan Xie
• Direction : Pierre Hardouin, Zhenan Zhu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie ostéoarticulaire, biomatériaux, ingénierie tissulaire
• Date : Soutenance en 2006
• Etablissement(s) : Littoral
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de recherche sur les biomatériaux et les biotechnologies (Boulogne-sur-mer, Pas-de-Calais)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux céramiques en chirurgie

Résorption osseuse

Bioréacteurs

Os -- Croissance

Biomatériaux

Biodégradation

Substituts osseux

Mots clés libres

Cellules souches mésenchymateuses

Os defect

Ingénierie tissulaire

Résumé

Les céramiques en phosphate de calcium sont souvent utilisées en chirurgie orthopédique, mais les transformations biologiques dont elles font l’objet dans le corps humain restent encore insuffisamment connues. Récemment, des biomatériaux hybrides associant des céramiques en phosphate de calcium et des cellules souches mésenchymateuses ont été développés pour réparer ces pertes osseuses de grand volume (« critical-sized defect »). L’apport de nutriments au centre du dispositif est alors essentiel pour favoriser la reconstruction. Dans une première partie du travail, 36 échantillons de substituts osseux, prélevés en chirurgie orthopédique, ont été analysés par microscopie en os non décalcifié. Dans une seconde partie, des cylindres poreux de phosphate tricalcique bêta (PTC-ß) ensemencés avec des cellules souches mésenchymateuses ont été perfusés en continu dans un bioréacteur. La prolifération et la distribution cellulaire ont été évalués. Une simulation des conditions d’écoulement dans le cylindre perfusé a été réalisée pour préciser le mécanisme de la distribution cellulaire. Pour finir, les matériaux hybrides ont été implantés dans des « critical-sized defect » du tibia chez la chèvre. Ce travail montre les transformations biologiques des céramiques en phosphate de calcium chez l’humain. Le bioréacteur à perfusion nouvellement conçu a permis l’apport de nutriments et les échanges gazeux au centre d’une matrice poreuse de grand volume. Il a permis la survie et la prolifération des cellules souches mésenchymateuses dans ces cylindres de grande taille. Le matériau hybride ainsi obtenu a permis d’obtenir la réparation de défects segmentaires d’os long chez la chèvre.

The calcium phosphate (Ca-P) ceramics have been used in the orthopedic surgery. Little has been known about their biological changes in the human body. Recently the hybrid material of Ca-P ceramic and BMSCs has been developed to reconstruct critical-sized bone defect. The nutrition supply in the center of large scaffold is still great obstacle in the way of reconstruction. Firstly, the undecalcified histological study was performed on 36 samples of bone substitutes retrieved from the orthopedic surgery. Secondly, the porous ß-TCP cylindrical scaffolds loaded with BMSCs were continuously perfused by a novel perfusion bioreactor. The cells proliferation and distribution were examined. The CFD was used to simulate the flow condition within the perfused scaffold to give insight into the mechanism of the cellular distribution. Lastly, the hybrid materials were implanted in the goats to repair the critical-sized tibial defects. The study documented the biological changes of the Ca-P ceramics in the human body. The newly designed perfusion bioreactor permitted the persistent nutrition supply and gas exchange into the centre of large scaffold. It made the BMSCs survive and proliferate through a large three-dimensional scaffold. The hybrid material could repair the long segmental bone defect efficiently in the goat.