Mise en forme par fabrication additive de céramique phosphocalcique mimant l'os humain.

Elaboration of 3D bioceramic scaffolds mimicking human bone architecture

• Auteur / Autrice : Paul Danty
• Direction : Eric Champion, Patricia Pascaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux céramiques et traitements de surface
• Date : Soutenance le 21/12/2023
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences et Ingénierie
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche sur les CERamiques
• Jury : Président / Présidente : Bruno Bujoli
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marie Lasgorceix, Vincent Pateloup, Philippe Meseure
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Gremillard, David Grossin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Stéréolithographie

Impression 3D

Hydroxyapatite

Céramique

Mots clés libres

Céramique

Os

Ceramic

SLA

Bone

Résumé

L’hydroxyapatite (HA) est largement utilisée pour l’élaboration de substituts osseux. En effet, lorsque le défaut osseux est trop important, la réparation naturelle ne peut avoir lieu. L’HA, est alors un excellent candidat pour le comblement osseux grâce à sa composition chimique proche de celle de l’os. De plus, ses propriétés d’ostéoconduction permettent une colonisation efficace des cellules sur le substitut favorisant la formation d’os nouveau. Ce processus est accentué par la structure poreuse et interconnectée du substitut. La mise en forme des substituts architecturés est donc un challenge pour améliorer les propriétés de résistance mécanique et d’ostéointégration. Les technologies d’impressions 3D et plus particulièrement la stéréolithographie (SLA) permettent de répondre aux besoins de l’élaboration d’architecture osseuse complexe. Le principal objectif de cette étude est d’élaborer un substitut en biocéramique mimant l’os trabéculaire humain par cette technologie de fabrication additive. Pour répondre à cette problématique, plusieurs échantillons de tibia humain (1 cm3) ont été collectés durant une intervention chirurgicale, puis scannés par microtomographie RX. Ces scans, d’une résolution de l’ordre du micromètre, vont constituer la base de données 3D de l’os trabéculaire. Le substitut céramique 3D est alors imprimé par fabrication additive (SLA) à partir de ces données. La pièce crue est ensuite frittée afin d’obtenir une architecture trabéculaire en céramique à porosité multi-échelle contrôlée. Pour s’assurer une reproduction à l’échelle du réseau poreux un comparatif est réalisé entre la pièce imprimée et le fichier STL original. Les résultats permettront d’ajuster les paramètres d’impression et ainsi d’optimiser le mimétisme. Enfin, des cellules osseuses humaines ont été ensemencées sur les architectures pour étudier l’adhésion, la fixation et la prolifération de celles-ci à leurs surfaces. L’ensemble des résultats montrent l’efficacité de la SLA pour produire des architectures en céramique phosphocalcique, imitant l’os trabéculaire avec un comportement biologique prometteur.

Hydroxyapatite (HA) is a widely used material for developing bone substitutes. In cases of significant bone defects where natural healing is not feasible, HA presents an excellent option for bone augmentation due to its chemical similarity to natural bone. Furthermore, its osteoconductive properties facilitate effective cell colonization, promoting new bone formation. The porous and interconnected structure of these engineered substitutes enhances this process. Designing these structured substitutes is a challenge aimed at improving mechanical strength and bone integration. Leveraging 3D printing technologies, especially Stereolithography (SLA), addresses the need for creating complex bone architectures. The primary objective of this study is to create a bioceramic substitute that mimics human trabecular bone using additive manufacturing. Human tibia samples, obtained during surgical procedures, were collected and subjected to microtomography to generate a high-resolution 3D database of trabecular bone. Using this data, a 3D ceramic substitute was fabricated through additive manufacturing (SLA) and then sintered to achieve controlled multi-scale porosity. A comparative analysis between the printed piece and the original STL file was performed to ensure accurate reproduction of the porous network. The results will inform adjustments to printing parameters for improved mimicry. Finally, human bone cells were seeded onto the engineered structures to investigate cell adhesion, attachment, and proliferation on their surfaces. The comprehensive results demonstrate the efficiency of SLA in producing phosphocalcic ceramic architectures that closely resemble natural trabecular bone, with promising biological performance.