Les avancées dans la modification des ciments osseux injectables à base de calcium-phosphate pour des applications cliniques
Vous vous êtes déjà demandé comment réparer efficacement les os endommagés ? Les méthodes traditionnelles comme les greffes autologues (prélevées sur le patient lui-même), les allogreffes (provenant d’un donneur) et les xénogreffes (provenant d’animaux) ont des limites. Elles peuvent causer des dommages importants, manquer de disponibilité ou entraîner des complications. Heureusement, les scientifiques ont développé des matériaux injectables pour remplacer les os, particulièrement utiles en orthopédie et en dentisterie. Parmi eux, les ciments osseux à base de calcium-phosphate (CPC) suscitent un grand intérêt. Ces matériaux ressemblent chimiquement aux composants minéraux des os, favorisant ainsi leur intégration et leur remodelage naturel.
Les CPC imitent la phase minérale des os, créant une structure qui facilite l’intégration des tissus osseux. Comparés aux ciments en polyméthacrylate de méthyle (PMMA), les CPC ont une température de réaction plus basse et une meilleure intégration avec l’os. Cependant, ils ne sont pas parfaits. Leur dégradation lente et leur manque de porosité limitent leur efficacité. De plus, leur résistance mécanique est inférieure à celle de l’os humain, ce qui nécessite des recherches supplémentaires pour les améliorer.
Une des approches pour améliorer les CPC consiste à créer des composites poreux ou nanostructurés et à intégrer des systèmes de libération de médicaments pour stimuler la croissance osseuse. Pour les patients souffrant d’ostéoporose, les modifications visent à favoriser la différenciation des cellules souches mésenchymatiques de la moelle osseuse (BMSC) et à stimuler les ostéoblastes (cellules qui forment l’os). Cela se fait en combinant les CPC avec des BMSC et des facteurs d’activité ostéogénique comme le plasma riche en plaquettes (PRP), la protéine morphogénétique osseuse-2 (BMP-2) ou des métaux.
La BMP-2, une substance active bien étudiée, a été intégrée dans les CPC pour accélérer la formation osseuse. Des études montrent que les CPC peuvent moduler la conformation de la BMP-2, améliorant ainsi la signalisation cellulaire et stimulant l’expression des gènes liés à la formation osseuse. De plus, les CPC peuvent inhiber la résorption osseuse par les ostéoclastes, compensant l’activité accrue de ces cellules induite par la BMP-2. Le PRP, contenant plusieurs facteurs de croissance, a également été utilisé pour modifier les CPC, favorisant la réparation osseuse grâce à la libération locale de substances bioactives qui influencent l’inflammation, l’angiogenèse et la synthèse de la matrice extracellulaire.
Des métaux comme le magnésium, le strontium et leurs composés ont été explorés pour leur activité ostéogénique dans l’ingénierie tissulaire osseuse. Les CPC modifiés au strontium augmentent l’expression des gènes liés aux ostéoblastes et favorisent l’activité de la phosphatase alcaline dans les cellules ostéoblastiques et les BMSC. Le magnésium dans les CPC favorise l’adhésion des BMSC et leur différenciation ostéogénique via un mécanisme impliquant les intégrines. De plus, les ciments en phosphate de magnésium/calcium (MCPC) améliorent le potentiel angiogénique des cellules endothéliales de la veine ombilicale humaine in vitro.
D’autres ions métalliques bioactifs, comme le cuivre, le cobalt et le chrome, ont également été étudiés pour leur potentiel à accélérer la guérison osseuse. Les CPC dopés au cuivre ont montré des propriétés antibactériennes, angiogéniques et favorisant la minéralisation osseuse. Les ions de cobalt et de chrome ont donné des résultats mitigés, nécessitant des recherches supplémentaires pour confirmer leur efficacité.
Les CPC ont également été modifiés pour servir de vecteurs d’antibiotiques, traitant les infections postopératoires grâce à une libération localisée de médicaments. Alors que les ciments PMMA sont peu poreux, les CPC offrent une microporosité interconnectée, les rendant plus favorables à la libération d’antibiotiques. Cependant, l’introduction d’antibiotiques peut affecter la porosité et les propriétés mécaniques des CPC, et leur dégradation lente peut ne pas être synchronisée avec la libération du médicament. Pour atténuer ces problèmes, les CPC peuvent être modifiés avec des polymères chargés de médicaments, améliorant ainsi leurs propriétés mécaniques et leur taux de dégradation.
En plus des antibiotiques, les CPC ont été explorés comme vecteurs de médicaments antitumoraux et de matériaux radioactifs, offrant des options de traitement localisé qui réduisent les effets secondaires systémiques et la douleur des patients. Ces modifications visent à simplifier le processus de traitement et à améliorer les résultats thérapeutiques.
La biodégradabilité des CPC est un facteur critique, car ils sont censés se dégrader au même rythme que la formation de nouvel os. Les stratégies pour accélérer la dégradation incluent l’ajout de microsphères de PLGA, qui se dégradent plus rapidement que les CPC, et l’incorporation de phases organiques comme la poudre d’os allogénique ou des BMSC-PRP autologues. Les CPC modifiés au strontium ont également montré une excellente biodégradabilité et des capacités ostéoinductives dans les tests cliniques.
Les propriétés mécaniques et la résistance à la fracture sont d’autres domaines de recherche pour la modification des CPC. Les stratégies de renforcement incluent l’ajout de fibres, le réticulage et l’ajustement du liquide de durcissement. Les oxydes métalliques à l’échelle nanométrique, la fibroïne de soie, les fibres de carbone activées chimiquement, les fibres de chitosane et les amidons gélatinisés ont montré qu’ils améliorent la résistance à la compression et les propriétés anti-délavage des CPC. L’incorporation de collagène de type I (coI) dans les CPC a été un domaine de recherche actif, car il favorise l’intégration osseuse tout en renforçant les CPC. Cependant, l’ajout de coI peut réduire la résistance à la compression, nécessitant des modifications secondaires comme le dopage au strontium pour fournir des microstructures imbriquées et une résistance à la compression plus élevée.
Les modifications binaires, combinant à la fois des modifications matérielles et biologiques, visent à obtenir des gains d’efficacité globaux. Par exemple, l’ajout de fibres de PLGA aux CPC résout les problèmes de faible résistance mécanique et de résistance à la fracture. Des études montrent que l’incorporation de facteurs actifs ostéogéniques comme la BMP-2 et la protéine GDF5 dans les CPC renforcés par des fibres de PLGA améliore significativement la capacité de formation osseuse et les effets angiogéniques.
En conclusion, la modification des ciments osseux injectables à base de calcium-phosphate représente un domaine dynamique et en évolution avec un potentiel significatif pour des applications cliniques. En abordant des limitations comme la dégradation lente, l’ostéoinduction insuffisante et la résistance mécanique, les chercheurs ouvrent la voie à des réparations et régénérations osseuses plus efficaces. L’intégration d’éléments bioactifs, de métaux et de systèmes de libération de médicaments dans les CPC offre une approche multifacette pour améliorer leurs performances, améliorant ainsi les résultats pour les patients en orthopédie et en dentisterie.
For educational purposes only.
doi.org/10.1097/CM9.0000000000001092