Conception et évaluation in vitro et in vivo de membranes artificielles pour la chirurgie en un temps des pertes osseuses critiques des membres

Design, In Vitro and In Vivo Evaluation of Artificial Membranes for the Management of Critical Bone Defects in Limbs

• Auteur / Autrice : Marc Saab
• Direction : Feng Chai
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chirurgie orthopédique et traumatologique
• Date : Soutenance le 11/06/2025
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École graduée Biologie-Santé (Lille ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Médicaments et Biomatériaux à Libération Contrôlée - Médicaments et biomatériaux à libération contrôlée: mécanismes et optimisation - Advanced Drug Delivery Systems - U 1008
• Jury : Président / Présidente : Jean-Christophe Fricain
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Florelle Gindraux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Céline Klein, Catherine Picart
• DOI : 10.70675/b0fbf98bzb23cz4c59z8119z9f55229d93cf

Mots clés

Mots clés contrôlés

Os -- Chirurgie

Traumatisme -- Chirurgie

Chirurgie orthopédique -- Technique

Technique de la membrane induite

Os -- Greffe

Os -- Régénération (biologie)

Biomatériaux

Modèles animaux

Évaluation médicale

Os et tissu osseux

traumatismes

Fractures osseuses

chirurgie

Transplantation osseuse

méthodes

Régénération osseuse

Membrane artificielle

Matériaux biocompatibles

usage thérapeutique

Implants expérimentaux

Modèles animaux

Résultat thérapeutique

Mots clés libres

Membrane induite

Régénération osseuse

Biomatériaux

Greffe osseuse

Membrane artificielle

Traumatologie osseuse

Induced membrane

Bone regeneration

Biomaterials

Bone graft

Artificial membrane

Bone defect

Résumé

Introduction : La technique de la membrane induite (TMI), initiée par Masquelet et al., est considérée comme la référence en traitement des defects osseux critiques. Cependant, elle nécessite plusieurs interventions chirurgicales, ce qui peut entraîner des taux de succès variables et est associée à des complications, notamment la résorption osseuse. Les objectifs majeurs de cette thèse étaient de concevoir des membranes artificielles (MA) permettant une greffe osseuse en un seul temps d’un defect critique de membre, d’éprouver un modèle in vivo d’étude des defects osseux critiques par comparaison de deux modes d’ostéosynthèse des defects. La fiabilité clinique et radiographique des modèles ainsi que les caractéristiques de la membrane induite après implantation in vivo ont été comparées. Ce modèle a ensuite permis et de comparer la greffe osseuse du defect par TMI en 2 temps et les MA. L'hypothèse principale était que ces MA autorisaient une greffe en un seul temps, avec un taux de consolidation radiologique égale ou même supérieur à une TMI. Matériel et Méthode : Les MA étaient conçues par electrospinning du polyuréthane (PU) et/ou polyméthylméthacrylate (PMMA) et évaluées in vitro. Un modèle de defect fémoral critique était réalisé sur des rats et 2 configurations d’ostéosynthèses étaient comparées par le biais d'analyses cliniques, radiographiques et histologiques. Puis, une greffe osseuse directe du defect en un seul temps employant les MA était comparée à la TMI en 2 temps. Le critère de jugement principal était la comparaison de la consolidation radiologique à 8 et 12 semaines des defects osseux entre le groupe contrôle et les groupes d’études (évaluation radiologique selon les scores de Guldberg et Lane-Sandhu, évaluation micro-scanographique selon le volume osseux (BV), volume de tissu (TV) et le ratio BV/TV). Résultats : In vitro, le screening a permis d’isoler deux MA : une en PU à 100 % et l’autre à 50 % de PU/PMMA. Elles étaient constituées de nanofibres homogènes en microscopie électronique. Elles présentaient une surface hydrophobe (angle de contact moyen 110° ± 0,83° et 130° ± 1,63° respectivement, p<0,05). Leur cytotoxicité était absente par méthode indirecte aux cellules MC3T3-E1 et HPMEC. Le modèle de defect fémoral de rat validait la configuration d’ostéosynthèse par plaque de 1 mm d’épaisseur et 4 vis de 2 mm de diamètre. L’analyse in vivo de la consolidation radiographique à 8 semaines post-greffe retrouvait une consolidation supérieure des groupes d’études comparés au groupe contrôle sans différence statistiquement significative. Cette différence devenait significative à 12 semaines radiographiquement entre le groupe contrôle et le groupe MA en PU (score Guldberg 1,17 ± 0,75 et 1,89 ± 0,33, p = 0,0276 ; scores Lane-Sandhu 5,67 ± 2,8 et 9,3 ± 0,5, p=0,0193) ainsi qu’à l’aide des analyses micro-CT : (BV : 185,2 ± 26,5 mm³ vs 147,3 ± 54,9 mm³, p=0,06 ; TV : 284,8 ± 48,3 mm³ vs 212,4 ± 90,7 mm³, p=0,036). Cependant, le ratio BV/TV était similaire entre les 2 groupes (65,3 ± 3,0 vs 70,8 ± 6,1, p=0,22). Discussion et Conclusions : Les résultats principaux de cette thèse valident la conception de membranes artificielles électrofilées en PU ± PMMA pour la greffe osseuse en un seul temps d’un defect fémoral critique sur modèle préclinique de rat sans engendrer de résorption osseuse. Ils soulignent le potentiel de ces MA pour simplifier la réparation des defects osseux, en réduisant la nécessité de requérir à de multiples interventions chirurgicales et en améliorant les résultats pour les patients. La fonctionnalisation de ces membranes permettrait une optimisation supplémentaire. Les travaux futurs devraient se concentrer sur l'optimisation de l'architecture des MA pour les rendre compatibles avec des modèles précliniques de plus grande taille de defects osseux critiques, ouvrant la voie à des applications translationnelles en médecine humaine.

Introduction: The Induced Membrane Technique (IMT), pioneered by Masquelet et al., is considered the gold standard in treating critical bone defects. However, it requires multiple surgeries, which can have varying levels of success and is associated with complications, including bone resorption. The major objectives of this thesis were to design artificial membranes enabling one-step bone grafting of a critical limb defect, to validate an in vivo model for studying critical bone defects by comparing two types of osteosynthesis for these defects. The clinical and radiographic reliability of the models, as well as the characteristics of the induced membranes after in vivo implantation, were compared. This model then allowed for the comparison of bone grafting in the defect using the IMT (two stages) versus artificial membranes. The main hypothesis was that these artificial membranes would allow for one-step grafting with a higher rate of radiological consolidation compared to an induced membrane technique (IMT). Materials and Methods: Artificial membranes were designed by electrospinning polyurethane (PU) and/or polymethyl methacrylate (PMMA) and evaluated in vitro. A critical femoral defect model was created in rats, and two osteosynthesis configurations were compared through clinical, radiographic, and histological analyses. Then, one-stage bone grafting of the defect using artificial membranes was compared to the classical two-step IMT. The primary endpoint was the comparison of radiological consolidation at 8 and 12 weeks between the control group and study groups (radiological assessment with Guldberg and Lane-Sandhu scores, micro-CT evaluating Bone Volume (BV), Tissue Volume (TV) and BV/TV ratio). Results: In vitro screening isolated two artificial membranes: one made of 100% PU, and another composed of 50% PU/PMMA. They consisted of homogeneous nanofibers under electron microscopy and exhibited a hydrophobic surface (average water contact angle: 110° ± 0.83° and 130° ± 1.63°, respectively, p<0.05). Their cytotoxicity was absent according to the indirect method with MC3T3-E1 and HPMEC cells. The rat femoral defect model validated the osteosynthesis configuration using a 1 mm thick plate with four 2 mm diameter screws. In vivo radiographic analysis of consolidation at 8 weeks post-grafting showed superior consolidation in the study groups compared to the control group, though without significant differences. This difference became significant at 12 weeks between the control group and the polyurethane artificial membrane group (Guldberg score: 1.17±0.75 vs. 1.89±0.33, p=0.0276; Lane-Sandhu scores: 5.67±2.8 vs. 9.3±0.5, p=0.0193). Micro-CT analysis revealed that the PU group exhibited higher BV and TV compared to the control group (BV: 185.2 ± 26.5 mm³ vs. 147.3 ± 54.9 mm³, p=0.06; TV: 284.8 ± 48.3 mm³ vs. 212.4 ± 90.7 mm³, p=0.036). However, the BV/TV ratio remained similar between the two groups (65.3 ± 3.0 vs. 70.8 ± 6.1, p=0.22). Discussion and Conclusions: The main results of this thesis demonstrated that electrospun PU and/or PMMA artificial membranes effectively support one-step bone grafting of critical femoral defects in a preclinical rat model, without causing bone resorption in the absence of an induced membrane. These membranes provide a promising alternative to the traditional two-stage IMT, reducing the need for multiple surgeries and improving bone consolidation. The functionalization of these membranes could represent an additional optimization strategy. Designing supportive architecture compatible with implantation in a large preclinical model could pave the way for the translational research application of these artificial membranes in in vivo models of large-scale critical bone defects.