Une stimulation électrique et un soutien à la régénération tissulaire de l’os, c’est ce que fournit ce dispositif proposé par des ingénieurs d'UConn. L’équipe montre, dans la revue Nano Energy, que cette double approche, qui combine une action physique, la stimulation électrique et une action biologique, d'ingénierie tissulaire, est efficace à stimuler la régénération osseuse, y compris en cas de fracture plus complexe.
Les fractures osseuses mineures cicatrisent généralement d'elles-mêmes, cependant les fractures plus complexes, avec des morceaux d'os brisés ou manquants sont plus difficiles à réparer. L'application d'un minuscule champ électrique au site de la fracture pour imiter le champ électrique naturel du corps aide les cellules à se régénérer. Mais les dispositifs médicaux qui peuvent générer cette stimulation électrique, sont généralement encombrants, comportent des câbles et/ou des piles toxiques, nécessitent une intervention chirurgicale de retrait invasive et finalement, ne sont pas toujours bénéfiques.
Un échafaudage piézoélectrique et un stimulateur électrique biodégradable
L’idée était donc d’alléger le dispositif de stimulation et de le coupler à une approche d'ingénierie tissulaire adaptée. Les chercheurs utilisent en effet des polymères biocompatibles piézoélectriques (qui se polarisent sous l’effet de la stimulation) et forment un échafaudage en nanofibre pouvant soutenir la régénération osseuse. Cette approche d’échafaudage piézoélectrique montre son efficacité in vitro à booster la différenciation ostéogénique des cellules souches et à induire une croissance osseuse sur un modèle de laboratoire. L'échafaudage piézoélectrique biodégradable et le stimulateur électrique biodégradable, sans batterie et contrôlé à distance, constituent une approche de régénération et de cicatrisation osseuse capable de combler et de réparer les grandes fractures.
La preuve de concept est apportée ici chez des souris présentant des fractures du crâne.
Plus besoin de chirurgie de retrait : la tension électrique générée par les ultrasons est très faible, de quelques millivolts. Les ultrasons font vibrer l'échafaudage en polymère, ce qui crée ensuite un champ électrique qui stimule l'échafaudage en polymère implanté à travers l'os brisé. Plus tard, le patient peut lui-même s’appliquer les ultrasons au niveau du site de la fracture et pas besoin de chirurgie de retrait invasif une fois que l'os est guéri. En plus d'être non toxique et piézoélectrique, l’échafaudage se dissout progressivement dans le corps au fil du temps, disparaissant avec la croissance du nouvel os. Entre temps, l'échafaudage piézoélectrique aura attiré les cellules osseuses vers le site de la fracture et favorisé la différentiation des cellules souches en cellules osseuses.
Une technologie innovante qui combinée avec d'autres facteurs pourrait permettre d’accélérer la régénération d'autres tissus, comme le cartilage, les muscles ou les nerfs. Une question subsiste néanmoins :
Pourquoi les champs électriques encouragent la croissance osseuse ?
« L'os lui-même est un peu piézoélectrique », répondent les chercheurs, il génère une tension de surface lorsqu’il est stressé par les activités de la vie quotidienne. Cette charge de surface encourage la croissance osseuse.
En décryptant le mécanisme, il sera sans doute possible d’améliorer encore cette approche de stimulation tissulaire.
Source : Nano Energy 27 June 2020 DOI : 10.1016/j.nanoen.2020.105028 Biodegradable nanofiber bone-tissue scaffold as remotely-controlled and self-powering electrical stimulator
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