Revêtements nanostructurés bioactifs innovants pour les implants orthopédiques réalisés par des méthodes avancées de dépôt par laser pulsé – BIOCOAT-BY-LASER

Les implants et dispositifs médicaux de type métalliques sont utilisés avec succès depuis des décennies tant en stomatologie clinique qu’en chirurgie orthopédique. Le titane et ses alliages sont particulièrement recommandés du fait de leurs propriétés mécaniques et leur facilité d’utilisation pour le chirurgien. Les implants à base de titane recouverts de phosphates de calcium optimisent l’ostéointégration et la cicatrisation osseuse. Dans le but de générer de nouveaux implants ostéoinductifs l’utilisation de facteurs de croissance comme les BMP (Bone Morphogenetic Proteins) connait un succès croissant.
D’autres approches d’ostéointégrations consistent à fonctionnaliser la surface de l’implant avec des biomolecules d’adhérence cellulaire stimulant l’ancrage tissulaire sur ces dispositifs médicaux. La fibronectine (FN), une glycoprotéine de haut poids moléculaire des matrices extracellulaires est souvent considérée comme la protéine d’adhérence et de signalisation cellulaire de référence.
Le principal objectif du projet BIOCOAT-BY-LASER est de biofonctionaliser des couches minces nanostructurées de phosphates de calcium obtenues par ablation laser (PLD) et déposées sur des substrats d’intérêt biomédical (titane) par un recouvrement mixte en gradient BMPs/FN. La finalité étant de combiner à des implants titane recouvert de phosphate de calcium les effets bénéfiques de facteurs d’adhérences cellulaire (FN) et ceux de facteurs de croissance et d’osteoinduction (BMP). Le transfert sera réalisé par MAPLE (matrix assisted pulsed laser evaporation) et MAPLE combinatoire. A côté de l’innovation technologique de la mise au point de cette technologie MAPLE combinatoire, une autre innovation biologique est de reconsidérer la fonction de la FN dans de tels gradient. En plus de ses fonctions d’adhérence cellulaire, la FN sera ici utilisée à des fins de protection et de relargage moléculaire des BMP co-transférées permettant une libération progressive et contrôlée des BMP.
Le plus gros défis est la mise en œuvre du MAPLE combinatoire, qui permettra d’obtenir un gradient progressif de deux protéines conservant toutes leurs propriétés biologiques. Cette technique est inspirée du PLD combinatoire et du MAPLE, deux techniques qui seront associée dans cet optique pour synthétiser des biomatériaux biphasiques innovants (phase minérale de phosphate de calcium et phase organique constituée d’un gradient de protéines FN et BMP).
Le projet BIOCOAT-BY-LASER propose d’apporter les preuves de concept et d’élucider les mécanismes impliqués pendant le transfert laser, sachant que les paramètres de l’irradiation laser influencent la qualité des dépôts. S’appuyant sur les simulations de Dynamique Moléculaire (MD) et des études théoriques en thermodynamique qui ont été décrites pour expliquer les mécanismes de transfert, nous proposons l’utilisation de la Spectroscopie Optique d’Emission (OES) pour analyser les composés excités (plume) avec une résolution temporale et spatiale. Les gradients de BMP/FN seront transférés en variant la distance de séparation entre la cible et le substrat. Les caractéristiques physico-chimiques des protéines seront déterminées par Spectroscopie des Photoélectrons X (XPS), Microscopie Electronique à Balayage (MEB), Spectroscopie Infrarouge (FTIR) et par des mesures d’angle de contact. La quantité et la qualité des protéines transférées seront directement évaluées par des analyses biochimiques et par immunolocalisation. Les recouvrements seront caractérisés in vitro par des études d’adhérence, de prolifération, de migration et de différentiation de cellules souches mésenchymateuses (tests MTT, techniques PCR et imagerie cellulaire en temps réel). L’évolution des structures mixtes titane/calcium-phosphate nanostructurées, recouvertes par FN et/ou BMP sera caractérisée in-vivo par implantation dans le cubitus de lapin grâce à la collaboration avec les chirurgiens orthopédistes et une équipe de chirurgiens vétérinaires.