Un composite semblable à l’os développé à l’EPFL utilise des enzymes naturelles pour accélérer la minéralisation. Le processus est économe en énergie et réalisable à température ambiante. Ce matériau solide et léger est prometteur pour les applications de réparation osseuse.
Inspirés par les propriétés mécaniques résilientes et autoréparatrices des os, les scientifiques ont mis au point des matériaux synthétiques à partir de l’un des principaux composants des os : un minéral appelé hydroxyapatite (HA). Cependant, la production de matériaux à base d’HA requiert généralement des processus énergivores à haute température et limitent l’utilisation de composants biologiquement actifs, tels que les enzymes, pour favoriser la croissance osseuse.
Le Laboratoire des matériaux souples ( SMaL ) de la Faculté des sciences et techniques de l’ingénieur de l’EPFL a mis au point un procédé d’impression 3D de structures à base d’HA, réalisable à température ambiante. Il utilise des enzymes pour une minéralisation rapide. Les structures poreuses obtenues, semblables à des os, peuvent supporter des charges après seulement sept jours. Les résultats ont été publiés dans Advanced Functional Materials.
« Notre idée était de créer une « encre » imprimable en 3D et injectable qui puisse être minéralisée en échafaudages présentant des propriétés mécaniques similaires à celles de l’os trabéculaire hautement poreux, que l’on trouve dans les vertèbres humaines et aux extrémités des os longs, comme le fémur, explique Esther Amstad, responsable du laboratoire. Nous espérons que la combinaison des performances mécaniques, de l’activité biologique et du traitement économe en énergie de notre technologie ouvrira de nouvelles perspectives pour l’ingénierie des tissus osseux. »
Ingénierie de l’espace pour le remodelage osseux
L’« encre » est produite en incorporant l’enzyme phosphatase alcaline dans des microparticules de gélatine et en les incubant dans une solution contenant des ions de calcium et de phosphate. L’enzyme déclenche la formation de cristaux d’hydroxyapatite qui rigidifient et renforcent les échafaudages imprimés. Après seulement quatre jours de minéralisation, le composite peut supporter le poids moyen d’un adulte sur une surface aussi petite que 1,5 cm x 1,5 cm.
Les scientifiques ajoutent aussi des microfragments de gélatine sans enzyme, qui fondent lorsque l’échafaudage est incubé, laissant derrière eux des pores. Implantés au niveau d’une fracture osseuse, par exemple, ces pores peuvent être colonisés par des cellules saines afin de favoriser la croissance d’un nouvel os. À noter que le réglage de la densité de ces microfragments permet à l’équipe de contrôler la porosité du support. En introduisant des pores qui représentent environ 50% du volume du support, les scientifiques créent suffisamment d’espace pour que les cellules puissent s’infiltrer et remodeler les supports, ouvrant ainsi de nouvelles possibilités pour la régénération osseuse naturelle.
À l’avenir, nos travaux pourraient jeter les bases de la mise au point de structures injectables qui favorisent la régénération osseuse
Esther Amstad, responsable du Laboratoire des matériaux souples
Lors d’un test, 14 jours après avoir ensemencé les échafaudages avec des cellules souches humaines et les avoir placés dans un milieu favorisant la croissance osseuse, les scientifiques ont détecté la présence de collagène et de la protéine matricielle osseuse ostéocalcine, deux indicateurs de la croissance cellulaire. Ces résultats confirment le potentiel de cette approche pour l’ingénierie tissulaire.
Selon Esther Amstad, l’approche enzymatique du SMaL permet d’obtenir des échafaudages en HA plus résistants que ceux produits par des méthodes à haute température, avec une résistance à la compression comparable à celle de l’os trabéculaire humain. Leur technique peut être utilisée pour imprimer des échafaudages très complexes et peut également être utilisée avec des bio-imprimantes disponibles dans le commerce.
« À l’avenir, nos travaux pourraient jeter les bases de la mise au point de structures injectables qui favorisent la régénération osseuse et permettent aux patientes et patients de solliciter leurs os fracturés beaucoup plus tôt qu’avec les technologies disponibles aujourd’hui», explique la professeure.
RéférencesF. Bono, A. Puiggalí-Jou, G. Cocchi, et al. "3D-Printed Porous Hydroxyapatite Formed via Enzymatic Mineralization." Advanced Functional Materials (2026) : e26568. https://doi.org/10.1002/adfm.202526568
Démonstrations cylindriques des échafaudages imprimés en 3D. 2026 EPFL SMaL CC BY SA
Démonstrations cylindriques des échafaudages imprimés en 3D. 2026 EPFL SMaL CC BY SA
