L’ostéoinduction induite par les matériau

Différents types de matériaux présentent des propriétés d’ostéoinduction intrinsèques. Les matériaux décrits comme ostéoinducteurs sont principalement des céramiques phosphocalciques (Habibovic et al. 2008).

Il a été mis en évidence que plusieurs paramètres étaient indispensables au phénomène d’ostéoinduction directement médié par les matériaux. Ces caractéristiques sont comparables à celles nécessaires pour l’ostéoconduction.

4.2.1. Caractéristiques des matériaux ostéoinducteurs

Les caractéristiques des matériaux qui semblent importantes pour l’ostéoinduction sont les suivantes :

• Macroporosité :

Ripamonti a mis en évidence que la présence de macropores au sein des matériaux apparaissait comme un pré-requis pour l’ostéoinduction. La formation d’os après implantation dans un site ectopique d’hydroxyapatite n’est observée qu’à l’intérieur des macropores. Dans toutes les études effectuées, concernant l’ostéoinduction par les matériaux, aucune présence d’os néo-formé en surface des matériaux n’est décrite (Ripamonti 1996).

• Microporosité

Il a aussi été montré que la microporosité était un élément essentiel pour l’ostéoinduction. Le groupe de De Groot s’est particulièrement penché sur l’importance de la microporosité dans le phénomène d’ostéoinduction. Habibovic et al. ont montré que la température de

frittage des céramiques d’HA ou de BCP (HA/β-TCP : 88/12) avait une forte influence sur les propriétés ostéoinductrices des matériaux phosphocalciques. La plus grande quantité d’os néo-formé est observée pour les échantillons avec une microporosité et une surface spécifique plus importantes (Habibovic et al. 2005). Des observations similaires ont pu être effectuées par comparaison d’échantillons de BCP (70/30) poreux ou lisses (Habibovic et al. 2008).

• La bioactivité

En parallèle des matériaux phosphocalciques, qui comme nous l’avons présenté sont bioactifs, d’autres types de matériaux peuvent avoir des propriétés ostéoinductrices. La formation d’os ectopique a pu être observée dans des céramiques d’alumine (Yuan et al. 2001d), du titane (Fujibayashi et al. 2004) et des verres céramiques (Yuan et al. 2001b). Ces différents types de matériaux ont aussi la caractéristique d’être bioactifs et la formation d’os ectopique est précédée de la précipitation d’apatite nanocristalline dans leurs cavités.

4.2.2. L’ostéoinduction par les céramiques phosphocalciques

Parmi les céramiques phosphocalciques étudiées, des différences peuvent être observées en fonction de la composition chimique. Dans plusieurs de leurs études, Habibovic et al., ont comparé le potentiel ostéoinducteur de céramiques phosphocalciques de compositions et structures variées après implantation intramusculaire chez la chèvre. Ils ont constaté que les céramiques de BCP (HA/β-TCP : 70/30 et 80/20) présentant une macroporosité et une microporosité étaient ostéoinductrices alors que des échantillons d’HA et d’apatite carbonatée, de porosités équivalentes, étaient incapables d’initier la formation d’os dans ce site ectopique. Les auteurs, qui ont associé ces effets à la surface spécifique des échantillons, indiquent qu’une surface spécifique minimale serait requise pour observer un phénomène d’ostéoinduction. Ils suggèrent qu’il serait essentiel d’avoir des échantillons avec des surfaces spécifiques « élevées » mais adaptées car une surface spécifique trop élevée, comme celle de l’apatite carbonatée, ne permettrait pas d’initier la formation d’os en site ectopique. (Habibovic et al. 2006a, Habibovic et al. 2008).

Yuan et al. ont montré, par ailleurs, que l’implantation intramusculaire chez le chien de céramiques de BCP (HA/β-TCP : 62/38) conduisait à une formation ectopique d’os plus précoce que pour des échantillons d’HA (30 jours contre 45 jours respectivement). La quantité d’os formé apparaissait aussi plus importante à tous les temps de l’étude sur les céramiques de BCP par rapport aux échantillons d’HA (Yuan et al. 2006a). Dans une autre

β-TCP qui diffèrent notamment par leur produit de solubilité. Après implantation intramusculaire chez le chien, la présence d’os néoformé a été détectée sur les céramiques de β-TCP à 45 et 150 jours alors que les échantillons d’α-TCP, qui subissent une plus grande dissolution, apparaissaient incapables d’induire la formation osseuse. D’après ces études, ce sont les céramiques de BCP, frittées à faible température ou de β-TCP qui semblent avoir les meilleures propriétés ostéoinductrices (Yuan et al. 2001a).

Par l’implantation de mêmes échantillons dans le muscle et en site orthotopique, Yuan et al. et Habibovic et al. ont montré, en outre, qu’il existait une corrélation directe entre ostéoinduction et ostéoconduction : plus le matériaux a une forte capacité à induire la formation d’os en site ectopique, plus son potentiel ostéoconducteur est important (Yuan et al. 2006a, Habibovic et al. 2008).

4.2.3. Les mécanismes d’action envisagés

Ces différentes études s’appuient sur des comparaisons entre différents types de matériaux. Elles ont déjà permis de mettre en évidence l’importance de plusieurs paramètres dans le phénomène d’ostéoinduction développé par les matériaux (macro- et micro-porosités, capacité de précipitation d’une apatite carbonatée nanocristalline à leur surface). En revanche, les mécanismes d’actions n’ont pu être déterminés pour l’instant.

Plusieurs hypothèses ont été avancées pour expliquer ces phénomènes. Ripamonti suggère que l’ostéoinduction par les matériaux pourrait être liée à leur capacité de fixation de protéines ostéoinductrices telles que les BMPs. Selon lui, une accumulation de ces facteurs de croissance pourrait avoir lieu à l’intérieur des pores des matériaux et ainsi induire la différenciation ostéoblastique des cellules progénitrices environnantes (Ripamonti 1996). Cette hypothèse a aussi été reprise par Habibovic et al. qui mentionnent que la formation d’apatite carbonatée nanocristalline à la surface des matériaux ostéoinducteurs pourrait être asociée à une co-précipitation de facteurs de croissances favorables à l’initiation du phénomène (Habibovic et al. 2005). Ces auteurs indiquent, par ailleurs, qu’il pourrait y avoir une influence directe de la composition ionique du milieu à l’intérieur des pores des céramiques. Ils suggèrent que des phénomènes de dissolution/reprécipitation des composés phosphocalciques, et notamment des céramiques des BCP, pourraient permettre la formation de micro-environnements favorables à la migration et à la différenciation ostéoblastique des cellules progénitrices. Il est à noter toutefois que, d’un point de vue physico-chimiste, la

dissolution de céramiques d’HA, β-TCP ou BCP, qui serait responsable d’une libération importante d’ions calcium et phosphate, est peu problable en raison de la sursaturation des fluides biologiques par rapport à ces composés phosphocalciques. En revanche, ceci n’exclut pas l’influence potentielle de micro-environnements spécifiques formés au sein des micropores des implants dans l’initiation du phénomène d’ostéoinduction. Il a enfin été suggéré que la réaction inflammatoire pourrait avoir une influence sur l’ostéoinduction (Le Nihouannen et al. 2005). Quelques expériences in vitro semblent étayer cette hypothèse (cf. paragraphe 5.3) par contre, celle-ci n’a, pour l’instant, pas été validée in vivo.

A l’heure actuelle, aucune de ces hypothèses n’a pu être confirmée et il n’est pas possible de déterminer précisément les facteurs clés responsables du phénomène d’ostéoinduction. En effet, bon nombre de matériaux ostéoconducteurs présentent toutes les caractéristiques citées précédemment sans pour autant posséder des propriétés ostéoinductrices.

La réponse de chacun des types cellulaires impliqués dans la formation osseuse vis-à-vis des matériaux implantés est susceptible d’avoir une influence majeure sur ce phénomène. Les études cellulaires permettent en partie d’apporter des informations sur les caractéristiques importantes dans les phénomènes d’interaction cellules/matériaux.