Un nouveau matériau qui déclenche la formation d'os par les cellules souches pourrait permettre un traitement plus efficace des fractures et des défauts osseux difficiles à cicatriser, déclare un ingénieur biomédical de l'Université A&M du Texas qui fait partie de l'équipe de développement du biomatériau.

Les recherches de l'équipe sont détaillées dans la revue scientifique ACS Nano et est soutenu par la National Science Foundation et les National Institutes of Health. Ses découvertes pourraient changer la façon dont les professionnels de la santé traitent les os fracturés qui ont des difficultés à cicatriser et nécessitent souvent des procédures de greffe osseuse, dit Akhilesh Gaharwar, professeur adjoint de génie biomédical à Texas A&M.

Le biomatériau, qui se compose de nano-taille, particules bidimensionnelles noyées dans un gel, stimule la croissance osseuse grâce à un mécanisme de signalisation complexe sans l'utilisation de protéines appelées facteurs de croissance, Gaharwar explique. Les facteurs de croissance sont utilisés dans les traitements conventionnels, mais peut entraîner des effets secondaires graves en raison des grandes quantités nécessaires pour stimuler les cellules, il dit.

"Nous essayons de surmonter ces problèmes en évitant l'utilisation de facteurs de croissance pendant que nous récapitulons le processus naturel de guérison osseuse, " dit Gaharwar. " Notre matériel est totalement différent, stratégie alternative dans laquelle, en utilisant des minéraux, nous pouvons induire une différenciation dans les cellules souches et favoriser la formation de tissus osseux."

Ces minéraux, Gaharwar explique, sont en grande partie de l'acide orthosilicique, magnésium et lithium – combinés dans de minuscules particules de nanosilicate au nombre de 100, 000 fois plus mince qu'une feuille de papier. Les nanoparticules ultrafines sont noyées dans un hydrogel à base de collagène, un gel biodégradable utilisé dans plusieurs applications biomédicales en raison de sa compatibilité avec le corps.

Lorsque des nanosilicates sont incorporés dans une matrice de gélatine, plusieurs physiques, les propriétés chimiques et biologiques de l'hydrogel sont renforcées, Gaharwar explique. Par exemple, l'hydrogel peut être conçu pour rester sur le site de la lésion pendant des durées spécifiques en contrôlant les interactions entre les nanosilicates et la gélatine, Gaharwar ajoute. Cette personnalisation, Gaharwar dit, peut permettre à l'hydrogel injecté d'entrer dans la cavité défectueuse et l'aider à guérir tout en se dégradant lentement au fur et à mesure qu'il est remplacé par du tissu naturel.

Les tests sur les propriétés mécaniques du matériau sont également prometteurs, dit Gaharwar. En plus de sa capacité à être injecté sur le site d'une blessure, le matériau atteint une rigidité trois à quatre fois plus élevée une fois à l'intérieur du corps, permettant de le verrouiller en place. Cela empêche le matériau de s'écouler vers d'autres parties du corps, évitant ainsi les effets secondaires indésirables, dit Gaharwar.

Les résultats, Gaharwar dit, ont été positifs, comme en témoignent les indicateurs à court et à long terme de la croissance osseuse. Essais initiaux, il dit, montrent une multiplication par trois de l'activité de la phosphatase alcaline, un marqueur de la formation osseuse précoce (appelée ostéogenèse). C'est une confirmation, Gaharwar explique, que le processus de signalisation "demande" bien aux cellules souches de se différencier en cellules osseuses. Les marqueurs tardifs sont également positifs, il ajoute, notant qu'ils démontrent une multiplication par quatre de la présence de phosphate de calcium, un composant principal de l'os.

« Les gels nanocomposites dynamiques et bioactifs que nous avons développés sont très prometteurs dans les applications d'ingénierie des tissus osseux, " dit Gaharwar.

Dans le cadre de futures recherches, Gaharwar prévoit une enquête plus approfondie sur le processus par lequel les nanoplaquettes déclenchent la différenciation cellulaire. En outre, la caractéristique d'amincissement par cisaillement du gel peut être utilisée pour imprimer des structures tissulaires tridimensionnelles chargées de cellules, il explique. Avec ça en tête, Gaharwar travaille avec des collègues pour construire sur mesure, des échafaudages vascularisés qui utilisent le matériau et pourraient être insérés chirurgicalement sur le site de blessures plus graves où l'injection n'est pas une option. Les échafaudages, il explique, permettrait au site de la blessure de recevoir le flux sanguin dans le cadre du processus de guérison amélioré initié par les nanoparticules. C'est un système qui, selon Gaharwar, permettra de résoudre certains des défis associés à l'ingénierie de tissus ou d'organes complexes.

« Sur la base de nos solides études préliminaires, nous prédisons que ces particules hautement biofonctionnelles ont un immense potentiel pour être utilisées dans des applications biomédicales, " note-t-il.