Les cellules montrent des signes de croissance saine dans cette image au microscope électronique à transmission, prises 15 heures après avoir été placées sur une surface en titane recouverte d'un tapis de minuscules nanofils. Dans l'encart (en haut à gauche), on peut voir des filaments s'étendre des cellules à la surface, ce qui indique un lien fort. Les ingénieurs de l'Ohio State University développent le revêtement, ce qui pourrait un jour aider les fractures et les prothèses articulaires à guérir plus rapidement. Crédit :Cheikh Akbar, Université d'État de l'Ohio.
Les os cassés et les prothèses articulaires pourraient un jour guérir plus rapidement, grâce à un revêtement inhabituel pour les implants médicaux en cours de développement à l'Ohio State University.
Les chercheurs ici ont découvert que les cellules osseuses se développent et se reproduisent plus rapidement sur une surface texturée que sur une surface lisse - et elles se développent mieux lorsqu'elles peuvent s'accrocher à un tapis microscopique fait de minuscules fils d'oxyde métallique.
Dans les essais, les fils ont stimulé la croissance cellulaire de près de 80 pour cent par rapport aux autres surfaces, ce qui suggère que le revêtement aiderait un os sain à former plus rapidement une liaison solide avec un implant.
Les ingénieurs ont développé une technique abordable pour créer les fils, qu'ils décrivent dans un article du numéro de juillet 2013 de la revue Céramique Internationale .
"Ce qui est vraiment excitant avec cette technique, c'est que nous n'avons pas à sculpter les nanofils dans un morceau solide de métal ou d'alliage. Nous pouvons les faire pousser à partir de zéro, en exploitant la physique et la chimie des matériaux, " a déclaré Cheikh Akbar, professeur de science et d'ingénierie des matériaux à l'Ohio State. « C'est pourquoi nous appelons notre processus « nanostructures par conception matérielle ». »
L'équipe d'Akbar (co-encadrée par son collègue, Suliman Dregia, professeur agrégé de science et d'ingénierie des matériaux) a pu faire croître les fils en adaptant le mélange de matériaux et de gaz à l'intérieur d'un four. A des températures autour de 1, 300 degrés Fahrenheit, de fins filaments de dioxyde de titane s'élevaient d'une surface de titane lisse. Chacun était des dizaines de milliers de fois plus petit qu'un cheveu humain.
Cette image au microscope électronique à balayage montre un seul fil, des dizaines de milliers de fois plus fin qu'un cheveu humain, qui a été créé dans un four à l'Ohio State University. Les ingénieurs ici cultivent des tapis de ces fils sur des surfaces en titane pour stimuler la croissance cellulaire, dans le but ultime d'aider le corps à guérir autour des implants osseux et articulaires. Crédit :Image reproduite avec l'aimable autorisation de Sheikh Akbar, Université d'État de l'Ohio.
Mais alors quelque chose d'inhabituel s'est produit que les ingénieurs n'ont pas pu expliquer. Chaque fil a développé une couche protectrice d'oxyde d'aluminium autour de lui-même, comme une couche d'écorce autour d'un tronc d'arbre. La croissance du revêtement pourrait avoir du sens, si le matériau du four était un alliage de titane contenant de l'aluminium. Mais dans ce cas, les chercheurs travaillaient avec du titane pur, donc on ne sait pas comment les fils ont poussé un revêtement en aluminium.
"C'est étrange que nous ne comprenions pas complètement pourquoi ce processus fonctionne comme il le fait. Nous allons devoir faire une microscopie sophistiquée pour le comprendre, mais nous savons que les fils ne se forment que dans les bonnes conditions, " a déclaré Akbar.
Dans les essais, les chercheurs ont cultivé des cellules cancéreuses des os sur trois surfaces différentes :du titane lisse, dioxyde de titane lisse, et le tapis de nanofils. (Ils ont choisi les cellules cancéreuses parce que les cellules sont particulièrement résistantes, et se reproduisent également de la même manière que les cellules osseuses saines.)
La plus grande différence dans la croissance cellulaire s'est produite dans les 15 premières heures de test, lorsque les chercheurs ont mesuré une concentration 20 pour cent plus élevée de l'enzyme de croissance osseuse phosphatase alcaline produite par les cellules se développant sur les nanofils. A la fin de l'étude, il y en avait environ 90, 000 cellules par centimètre carré sur la surface du nanofil—80 pour cent de plus que les 50, 000 cellules par centimètre carré sur chacune des deux autres surfaces.
Co-auteur de l'étude Derek Hansford, professeur agrégé de génie biomédical et de science et ingénierie des matériaux, a déclaré que le revêtement pourrait aider les personnes ayant subi une arthroplastie de la hanche et du genou, implants dentaires, ou des os cassés qui nécessitent des vis et des plaques pour les réparer.
« Notre espoir est que ce traitement de surface devienne une modification simple à mettre en œuvre des implants en titane pour les aider à former une interface plus solide avec le tissu osseux environnant. Une interface plus solide signifie que les implants et les os seront mieux en mesure de partager les charges mécaniques, et nous pouvons mieux préserver les os sains et les tissus mous autour du site implantaire, " a déclaré Hansford.
Akbar pense que le prix est juste pour le développement commercial. 100 $ de feuille de métal suffisent pour fabriquer des centaines d'échantillons.
La méthode pour faire pousser les fils est également extrêmement simple. Au-delà de définir le bon mélange de matériaux et de gaz, il ne s'agit que d'appuyer sur un bouton pour allumer le four de laboratoire.
"Sérieusement, si tu passais la journée dans mon labo, vous pourriez apprendre à le faire vous-même, " a déclaré Akbar.
Lui et son équipe explorent maintenant d'autres combinaisons de matériaux et de gaz pour créer différentes formes nanométriques pour la croissance cellulaire et la détection chimique.
