Comportement du matériau en milieu physiologique

4. Comportement du matériau en milieu physiologique

L’implantation d’élément étranger, initie chez l’hôte, une réaction immunitaire. Cette réaction peut être délétère à l’intégration du matériau ou, au contraire, la favoriser. Un matériau dit biocompatible provoque chez l’hôte une réponse positive dont le résultat est son acceptation et son intégration par les tissus environnants. La procédure chirurgicale qui permet la pose de la greffe est presque toujours suivie par une réaction inflammatoire locale qui vise à initier une réponse immunitaire. Les premiers évènements notables lorsqu’une céramique est en contact avec les fluides biologiques sont les échanges ioniques et l’adsorption protéique (KES03) (FRA11) (DUC99). De nombreuses protéines, telles que des molécules d’adhésion

de la MEC, le fibrinogène15 et des molécules régulatrices se retrouvent ainsi à la surface du

matériau. Cette couche va changer les propriétés surfaciques du matériau. Le résultat est une nouvelle interface entre l’organisme et l’implant. L’adhésion cellulaire se fait via des interactions entre les protéines adsorbées et les cellules. L’adsorption protéique dépend de nombreux facteurs tels que la rugosité, la porosité, la charge de surface, la solubilité du matériau et l’environnement biologique dans lequel il se trouve (Figure 17).

Figure 17. Schéma récapitulatif des différentes propriétés du matériau qui ont un impact sur la cascade d’évènements biologiques qui commence par l’adsorption protéique, suivi de l’adhésion cellulaire et

enfin de la différenciation (SAM13)

L’adhésion des cellules se fait essentiellement via des intégrines16 qui se lient aux molécules

de la MEC telles que le collagène, la fibronectine ou la vitronectine. Parmi ces cellules, on retrouve des cellules immunocompétentes qui agissent dans le cadre de la réaction inflammatoire et de la réponse immunitaire. Leur recrutement s’effectue grâce à des molécules chimiotactiques secrétées par les cellules se trouvant sur le site de l’implantation.

15 Fibrinogène : glycoprotéine qui une fois activée participe activement à la coagulation du sang.

16 Intégrines : protéines d’adhésion transmembranaires impliquées dans l’adhésion cellule/MEC et cellule/cellule. Adsorption protéique • Rugosité • Cristallinité et Ca/P • Solubilité • Énergie de surface Adhésion cellulaire • Rugosité • Cristallinité et Ca/P • Solubilité • Énergie et charge de surface • Taille de grain et de cristallites Différenciation cellulaire • Rugosité • Solubilité

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Au même titre que l’adsorption protéique, l’adhésion cellulaire va dépendre des propriétés physico-chimiques du matériau (Figure 17).

4.1. Le phosphate tricalcique beta

Dans le cas du β-TCP, les changements des propriétés interfaciales par l’accumulation de protéines va permettre la précipitation d’une couche d’apatite biologique par phénomène de dissolution/précipitation (BOH09). Cette couche est, selon Kokubo et Takadama (KOK06), essentielle à la bioactivité du matériau et joue un rôle prépondérant dans sa biointégration. Parallèlement, on assiste au recrutement par chimiotactisme de cellules osseuses qui prennent en charge le remodelage du matériau. Le β-TCP est un matériau résorbable. C’est-à-dire qu’au fur et à mesure du temps, il sera dégradé et remplacé par du tissu néoformé. Il existe 3 mécanismes de dégradation/résorption :

 la dissolution du matériau ;

 le remodelage du matériau par les cellules qui est le mécanisme majoritaire et celui

principalement visé par les chercheurs ;

 rupture de l’implant.

Les propriétés du matériau et celles des fluides biologiques avec lesquels il est en contact vont favoriser les échanges ioniques. Ces derniers sont inévitables et permettent de conditionner et de préparer le matériau à accueillir des cellules. Les ions libérés ne sont pas toxiques et sont pour certains comme le calcium ou le phosphore sous le contrôle de l’homéostasie ionique de l’hôte. Le deuxième mécanisme, suit le premier et est tributaire des propriétés physico-chimiques du matériau et des cellules ostéocompétentes. Ce mécanisme est contrôlé et régulé. Le dernier mécanisme de dégradation est très minoritaire, non contrôlé, et peut dans certains cas générer des débris inflammatogènes aux conséquences potentiellement graves. Ce dernier mécanisme de dégradation est à éviter alors que les 2 premiers sont essentiels à la bonne intégration du matériau.

Le devenir des cellules adhérentes est très dépendant de l’environnement ionique et de la

MEC. Les ostéoblastes, par exemple sont sensibles à la présence d'ions Ca2+ (MAE05). Un

des rôles de l'hormone parathyroïdienne est de maintenir un taux de Ca2+ sérique suffisant

pour préserver le volume de MEC sécrété lors de la synthèse osseuse (BLA02). Lors de la différenciation de CSMH, on observe la synthèse de protéines associées à l'ion calcium et à

l'incorporation de Ca2+ dans la MEC (TIT07). L'ion phosphate quant à lui impacte directement

les gènes impliqués dans la minéralisation de la MEC. Ainsi une augmentation dans la concentration en phosphate inorganique, va favoriser l'expression de protéines non collagéniques telles que la protéine GLA de la MEC et l'ostéopontine. De plus, l'hydrolyse du

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pyrophosphate, par les phosphatases alcalines ostéoblastiques, en phosphate inorganique va favoriser la calcification de la MEC grâce à la suppression de l'effet inhibiteur du pyrophosphate et à l’augmentation du taux local de phosphate (KHO11) (MAR01). L’interaction entre MEC et cellules est indispensable à la différenciation ostéoblastique. C’est notamment grâce aux points d’adhésion focaux que la MEC et la topographie ont un impact sur la fonctionnement cellulaire (SAM13).

4.2. Conclusion

La prise en charge du matériau par l’organisme va donc dépendre dans un premier temps des interactions avec le milieu physiologique. Les modifications ainsi initiées vont permettre l’adsorption protéique, le recrutement de cellules compétentes qui se différencieront et prendront en charge le devenir du matériau au sein de l’organisme (Figure 18). Les propriétés physico-chimiques doivent être maitrisées au même titre que la mise en forme du matériau.

Figure 18. Récapitulatif des changements qui s’opèrent à la surface d’une céramique phosphocalcique dans le milieu physiologique (adapté de (COM13))

3. Nucléation et croissance cristalline d’une phase apatitique proche du minéral osseux grâce à un environnement immédiat sursaturé en ions calciums et phosphates. On retrouve dans cette couche un certain nombre de protéines bioactives.

Des cellules osseuses se fixent à la surface nouvellement créée et enclenchent le processus de remodelage osseux.

1. La surface de la céramique phosphocalcique s’équilibre avec les fluides biologiques: libération d’ions, adsorption d’ions et de protéines.

2. Des cellules analogues aux ostéoclastes adhèrent à la surface du matériau et participent aux échanges ioniques.

Échanges ioniques et protéiques avec les

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