Le processus par lequel se produit cette réaction peut être séparé en 12 étapes :
VERRE BIOACTIF
Mécanisme d'action
Les 5 premières étapes sont liées à la réponse du verre bioactif à l’environnement au sein de l’organisme qui se produit rapidement à la surface du matériau dans les premières heures.
Les étapes 6 à 12 détails la réaction du corps à l’intégration de ce biomatériau et le processus d’intégration avec l’OS. Ces étapes se produisent à l’échelle de plusieurs semaines ou plusieurs mois.
Les étapes sont séparées comme suit :
Étapes 1 à 5
1
Les ions alcalins (Na + et Ca2 +) sur la surface du verre échangent rapidement avec des ions d’hydrogène entourant les fluides corporels. La réaction provoque l’hydrolyse des groupes de silice et induit une augmentation locale de pH et de la pression osmotique.
2
En raison d’une augmentation de la concentration de l’hydroxyle (OH−) à la surface (résultat de l’étape 1), une dissolution du réseau de verre de silice se produit, vu par briser des liaisons Si⎯O⎯Si. La silice soluble se transforme à la forme du Si (OH) 4 et crée du silanols (Si⎯OH) se produit à la surface du matériau. La réaction se produisant lors de cette phase est illustrée ci-dessous :
3
Les groupes silanol à la surface du matériau se condensent et se polymérisent pour former une couche de gel de silice à la surface du Bioglass. À la suite les premières étapes, la surface à une teneur en alcalin très faible.
4
Ca2 + et PO43− amorphes se rassemblent à la couche riche en silice (créée à l’étape 3) à la fois le fluide corporel environnant et la majeure partie de la Bioglass. Cela crée une couche composée principalement de CaO⎯P2O5 sur le dessus de la couche de silice.
5
Le film de CaO⎯P2O5 créé à l’étape 4 intègre OH− et CO32− de la solution corporelle, amenant à se cristalliser. Cette couche est appelée une couche d’hydroxyapatite carbonaté (HCA).
Étapes 6 à 12
6
Les facteurs de croissance sont adsorbés sur la surface de Bioglass en raison de ses similitudes structurales et chimiques avec l’hydroxyapatite.
7
L’adsorption des facteurs de croissance provoque l’activation des macrophages M2. Les macrophages M2 ont tendance à favoriser la cicatrisation et à initier la migration des cellules progénitrices vers un site lésé. En revanche, les macrophages M1 sont activés lorsqu’un matériau non biocompatible est implanté, ils déclenchant une réaction inflammatoire.
8
Déclenchée par l'activation des macrophages M2, les cellules souches mésenchymateuses et les cellules ostéoprogénitrices migrent vers la surface du Verre Bioactif et se fixent à la couche de HCA.
9
Les cellules souches et les cellules ostéoprogénitrices à la surface du HCA se différencient pour devenir des cellules ostéogéniques généralement présentes dans le tissu osseux, en particulier les ostéoblastes.
10
Les ostéoblastes attachés et différenciés génèrent et déposent les constituants de la matrice extracellulaire (ECM), principalement du collagène type I, le composant principal de protéine d’os.
11
Le collagène est minéralisé normalement dans l'os natif. Les cristaux d'hydroxyapatite à l'échelle nanométrique forment une structure en couches avec le collagène déposé à la surface de l'implant.
12
À la suite de ces réactions, la croissance osseuse se poursuit alors que les cellules nouvellement recrutées continuent de fonctionner et facilitent la croissance et la réparation des tissus. L'implant Bioglass continue à se dégrader et à être converti en Matrice extracellulaire (ECM).
Histoire
Le verre bioactif est considéré dans le domaine des biomatériaux comme l’un des premiers matériaux entièrement synthétiques qui adhère parfaitement à l’os. Dans les années 1960, il a été développé par Larry L. Hench. L’idée est venue après un appel entre Larry Hench et le Colonel Klinker, qui venait de rentrer aux États-Unis après avoir servi comme officier d’approvisionnement médical au Vietnam.
Après avoir écouté la description des recherches de Hench, le Colonel a demandé, « Pouvez-vous faire un matériau compatible avec le corps humain ? » Klinker ensuite a décrit les amputations dont il avait été témoin au Vietnam. Ces amputations sont le résultat du rejet des implants métalliques et plastiques par le corps humain.
Hench s’est rendu compte qu’il y avait un besoin pour un nouveau matériau qui pourrait former un lien vivant avec les tissus dans le corps. Quand Hench retourna en Floride, il commença à synthétiser des petits rectangles de ce qu’il appelle du verre 45S5. Ils ont été implantés dans les fémurs de rat à l’hôpital VA de Gainesville. Six semaines plus tard les chercheurs ont appelé Hench demandant : « Larry, quels sont ces échantillons que tu nous as donné ? Ils restent accrochés à l’os.
Je les ai tirés, je les ai poussés, j’ai craqué l’os et ils sont toujours collés ».
Avec cette première expérience réussie, Le verre bioactif est né et les premières compositions ont été étudié. Hench a publié son premier article sur le sujet en 1971 dans Journal of Biomedical Materials Research, et son laboratoire a continué à travailler sur le projet durant les dix années suivantes grâce au financement de l’armée américaine. Au début du XXIe siècle, il y avait plus de 500 articles publiés sur le sujet des verres bioactifs de différents laboratoires et institutions du monde entier. Le laboratoire de science des matériaux Français MATEIS, hébergé dans l’établissement de l’INSA, a développé une expertise en conception et fabrication de Verre Bioactif 45S5. La société Noraker a été fondée en 2005 afin d’’industrialiser et développer ces nouvelles découvertes sur le Bioglass. Depuis, Noraker continue de collaborer avec les meilleures universités européennes, dans l’objectif non seulement restaurer les fonctions des patients, mais aussi de régénérer entièrement l’OS du patient.
1 – Rahaman, M. “Bioactive glass in tissue engineering”. Acta Biomaterialia. 7: 2355–2373.
2 – Hench, L.L. (December 2006). “The story of Bioglass”. Journal of Materials Science in Medicine. 17: 967–78.
3 – Rabiee, S.M.; Nazparvar, N.; Azizian, M.; Vashaee, D.; Tayebi, L. (July 2015). “Effect of ion substitution on properties of bioactive glasses: A review”. Ceramics International. 41: 7241–7251
4 – Hench, L. L. (July 1998). “Bioceramics”. Journal of the American Ceramic Society.
5 – Roszer, T. “Understanding the Mysterious M2 Macrophage through Activation Markers and Effector Mechanisms”. Mediators of Inflammation