Implants à base de fibroïne de soie

Implant du ligament croisé antérieur
à base de fibroïne de soie
de Bombyx mori
Martin Gerday
2ème Master Ingénieur civil chimiste
Année académique 2014-2015
1
Implant du ligament croisé antérieur
à base de fibroïne de soie de Bombyx mori
Structure de la présentation
1. Introduction
2. Etat de l’art de la fibroïne de Bombyx mori
2.1. La fibroïne de soie de Bombyx mori comme biomatériau
2.2. Fabrication de la fibroïne de soie
3. Application biomédicale – Implant du LCA
4. Perspectives
2
5. Bibliographie
1. Introduction
1.1. Pourquoi étudier le ligament croisé antérieur (LCA) ?
• Essentiel à la marche
• Source fréquente de blessures : 100 000 – 200 000 blessures du
LCA/an aux USA
• Capacité de régénération du LCA limitée
1.2. A quoi sert le ligament croisé antérieur ?
LCA + LCP (ligament croisé postérieur)
= pivot central de l'articulation du genou.
Le LCA connecte le fémur et le tibia.
3
1. Introduction
1.3. Pourquoi la soie ?
Les protéines de soie (fibroïne) :
- ont de très bonnes propriétés mécaniques
- sont biodégradables
- présentent un degré de biocompatibilité élevé
+ améliorations possibles des propriétés par voie chimique
1.4. Structure chimique de la soie
Soie = 70-75% fibroïne + 25-30% séricine (% de poids sec)
Fibroïne = protéine essentiellement constituée de la succession d’acides
aminés (GAGAGS)n
Séricine = protéine hydrophile jouant le rôle de glue naturelle
4
1. Introduction
1.5. Production et marché
2 animaux producteurs de soie : araignées et vers à soie
Production mondiale des cocons de vers à soie :
- 400 000 tonnes/an
- Domaine d’application majeur = vêtements
- Développement depuis 20 ans de la soie à application biomédicale
5
2. Etat de l’art de la fibroïne de Bombyx mori
2.1. La fibroïne de Bombyx mori comme biomatériau
1) Très bonnes propriétés mécaniques : flexibilité, robustesse,
élasticité. (σmax (soie) = 0,6 GPa ; σmax (acier HLE) = 1,5 GPa )
2) Biodégradabilité (lente): hydrolyse de la fibroïne de soie par des
protéases.
3) Degré de biocompatibilité élevé : faible immunoréactivité et
toxicité (non carcinogène, peu voire pas de réaction d’irritation,
de réponse inflammatoire, allergique ou immunologique).
4) Solubilité dans une solution acide : extraction facile de la fibroïne
dans la soie.
5) Perméabilité à l’eau et au CO2 : échanges possibles avec le milieu
extérieur.
6
Biomatériau de choix
2. Etat de l’art de la fibroïne de Bombyx mori
2.2. Fabrication de la fibroïne
Phase 1 - Extraction et purification de la fibroïne à partir des cocons de
vers à soie (fibroïne + séricine)
séricine immunogène
Phase 2 - Elaboration de la matrice de fibroïne en fonction de
l’application (procédés chimiques et thermiques)
Phase 3 - Modifications chimiques de la fibroïne pour améliorer ses
propriétés de surface
« fibroïne modifiée »
7
3. Application biomédicale – Implant du LCA
3.1. Ingénierie tissulaire
= création de tissus synthétiques implantables in vivo afin de stimuler la
régénération des tissus lésés ou malades (ligament, peau, os, nerfs, etc.)
3.2. Expérience - Implant d’un LCA chez des cochons
Objectif = réaliser un ligament croisé antérieur temporaire à l’aide de fibroïne
de soie pour stimuler la guérison d’une blessure au ligament
Cahier de charges pour l’implant
-
Biocompatibilité
Favorisation du développement du tissu ligamentaire
Résistance mécanique élevée
Elasticité proche du ligament originel
Biodégradabilité
8
3. Application biomédicale – Implant du LCA
3.2. Expérience - Implant d’un LCA chez des cochons
Principe de l’expérience : Etude préclinique (Singapour, 2009)
1) 2 groupes de cochons distincts (Yorkshire, 3.5 mois, 40-45 kg)
- Groupe 1 (6 cochons) : futur implant à base de fibroïne de soie
- Groupe 2 (6 cochons) : futur implant à base de fibroïne de soie + cellules
souches mésenchymateuses (de la moelle osseuse des cochons)
9
3. Application biomédicale – Implant du LCA
3.2. Expérience - Implant d’un LCA chez des cochons
2) Préparation du support en fibroïne de soie (+ des cellules souches)
Support (C,D) = Maille microporeuse de fibroïne de soie (B) enroulant des
tresses de fibroïne de soie (A).
Pour le groupe 2 :
Insertion de cellules
souches
mésenchymateuses
dans le support
avant l’enroulement.
10
3. Application biomédicale – Implant du LCA
3.2. Expérience - Implant d’un LCA chez des cochons
3) Excision du ligament originel
4) Insertion de l’implant
- support en fibroïne de soie (+ cellules souches pour le groupe 2)
- sutures en polyester (biodégradable)
- vis
(matériau non précisé mais
probablement vis résorbable
constituée de PGA, PLA par exemple )
11
3. Application biomédicale – Implant du LCA
3.2. Expérience - Implant d’un LCA chez des cochons
Résultats
24 semaines après l’implantation :
• Régénération du tissu ligamentaire [collagène]
(beaucoup plus importante avec les cellules souches)
• Maille microporeuse en soie quasi totalement disparue (biodégradée)
• Composition proche du LCA originel
• Propriétés mécaniques (meilleures avec les cellules souches) :
12
4. Perspectives
Fibroïne de Bombyx mori dans les implants de LCA :
+ : Très bonnes propriétés intrinsèques (mécaniques, biodégradabilité,
biocompatibilité)
+ : Surface spécifique élevée sous forme de matrice 3D fibreuse
microporeuse donc idéale pour l’adhésion et la prolifération des cellules
+ : Bons résultats dans l’ingénierie tissulaire
MAIS
- : Etude plus poussée recommandée (plus d’individus, plus longtemps)
- : Les propriétés de la fibroïne = f(espèce de vers à soie, chaque individu
de l’espèce)
Solution : Développement de fibroïne par le génie
génétique.
13
5. Bibliographie
1) H. Fan, H. Liu, S. L. Toh, J. C.H. Goh. Anterior cruciate ligament regeneration
using mesenchymal stem cells and silk scaffold in large animal model. Elsevier.
Biomaterials 30 (2009); 4967–4977.
2) G. Vidal, T. Dinis, C. Egles. Biomatériaux à base de nanofibres de soie pour
des applications biomédicales. Techniques de l’ingénieur (2014); RE 218 1-13.
3) E. Wenk, H. P. Merkle, L. Meinel. Silk fibroin as a vehicle for drug delivery
applications. Elsevier. Journal of Controlled Release 150 (2011); 128-141.
4) A. Leroy, Ingénierie tissulaire du ligament : association de copolymères
dégradables et de cellules souches mésenchymateuses. Material chemistry.
Université Montpellier II - Sciences et Techniques du Languedoc (2013).
5) C. Thiery. Tomographie à rayons X. Techniques de l’ingénieur (2013);
P 950v3 1-4.
14
Merci pour votre attention !
Un verre à soi vaut mieux que deux, tu
l’auras !
15