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L’os, une architecture ingénieuse sous la carapace

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Marie Pinhas-Diena, responsable de la communication scientifique l T. 01 44 27 22 89 l M. marie.pinhas@upmc.fr

L’os, une architecture ingénieuse sous la carapace

Les matériaux produits par les êtres vivants tels que les os, les coquilles, les carapaces ou les dents… présentent des caractéristiques remarquables en termes de miniaturisation, d’organisation hiérarchique, d’auto-assemblage ou encore d’adaptabilité. Les chimistes s’en inspirent très largement pour imaginer et fabriquer des matériaux avec des propriétés « sur mesure ». Exemples grand public ? C’est le cas de Nadine Nassif chargée de recherche CNRS au laboratoire de chimie de la matière condensée de Paris (LCMCP, CNRS/UPMC/Collège de France) qui s’intéresse plus particulièrement au tissu osseux.

 

Sa démarche interdisciplinaire prend sa source dans les travaux scientifiques majeurs d’Yves Bouligand, à l’origine de la notion d’analogue biologique de cristaux liquides, et ceux de Marie-Madeleine Giraud-Guille qui a pu mettre en évidence que le collagène possède des propriétés cristallines liquides. Ses travaux s’inscrivent dans des domaines fondamentaux qui ont mené à des applications au travers d’un projet de maturation financé par la DRITT puis la SATT-Lutech* et le financement de Marc Robin depuis sa licence professionnelle jusqu’à celui de sa thèse actuelle par le labex MATISSE**.

 

D. R.

 

Le tissu osseux, un matériau biologique aux propriétés étonnantes

Le tissu osseux est un tissu conjonctif qui, avec le cartilage, constitue l’endosquelette des vertébrés. D’un point de vue mécanique, il supporte le poids du corps permettant ainsi son déplacement en conjonction avec les muscles et les articulations, et fournit également une protection aux organes internes. D’un point de vue métabolique, il sert de réservoir ionique prenant ainsi part à l’homéostasie du fluide extracellulaire. Il est également connu pour son rôle hématopoïétique (sécrétion et renouvellement des cellules sanguines) puisqu’il renferme la moelle osseuse. D’un point de vue de la science des matériaux, le tissu osseux est un matériau hybride minéral-organique classé dans la catégorie des tissus durs avec une organisation très sophistiquée (contre-plaqué torsadé).

 

Le collagène, le maillon fort du tissu osseux

D’une façon générale, les tissus biologiques (conjonctif, musculaire, nerveux et épithéliums) sont composés de cellules et d’une matrice extracellulaire (trame organique et phase minérale. Les principales macromolécules sont des polysaccharides et des protéines fibreuses, de structure (collagènes et élastine) ou d’adhérence (fibronectine et laminine) qui participent aux propriétés mécaniques des tissus, assurant une résistance aux forces de traction. Le collagène, protéine la plus abondante chez les mammifères, représente 25 à 30% de toutes les protéines de l’organisme humain. Il existe une vingtaine de types de collagène, chacun possédant une structure propre et se retrouvant dans des organes particuliers

 

Le collagène de type I intervient majoritairement dans la structure de la peau, des tendons, des os et de la cornée ; le type II est présent essentiellement dans les cartilages ; tandis que le type III se retrouve principalement au niveau du système cardiovasculaire.

 

La molécule de collagène est une triple hélice de chaînes polypeptidiques. Contrairement aux chaînes peptidiques, elle est en hélice droite. Chaque chaîne peptidique est composée d’un millier d’acides aminés.

 

L'os artificiel, une véritable démarche de biomimétisme

Si nombre de chirurgiens considèrent que le matériau le plus performant pour réparer un défaut osseux reste l'autogreffe (prélèvement d'un greffon chez le patient lui-même), la source est très limitée et le prélèvement peut s’avérer problématique car douloureux (alors que la patient est déjà faible) pour le patient. Une alternative possible est l'élaboration de nouveaux biomatériaux à savoir des composites hybrides à base de collagène et d’apatite qui permettent de reproduire l'organisation hiérarchique tridimensionnelle de l'os compact (allant du nanomètre jusqu'au millimètre) et s’approcher certaines propriétés mécaniques du tissu biologique.

 

L'étude de processus de minéralisation en milieux biologiques confinés et ordonnés, caractéristiques majeures de la matrice extracellulaire du tissu, met en balance des savoirs issus de domaines traditionnellement distincts tels que les cristaux liquides biologiques, la croissance minérale et l'ingénierie tissulaire.

Les matériaux élaborés par Nadine Nassif et ses collaborateurs, utilisant les propriétés d'auto-assemblage du collagène en association avec des précurseurs ioniques de l'os, ont été testés comme implants osseux afin de valider leur potentialité en tant que substituts osseux ostéo-inducteurs. Leur nature biochimique à base de collagène et d'apatite, respectant l'agencement 3D du tissu original, leur assure une très bonne intégration dans les organismes animaux. Des bilans anatomo-pathologiques sont en cours afin d’évaluer la bonne colonisation des cellules du tissu osseux environnant et la qualité du tissu néoformé, en comparaison avec les meilleurs implants du marché.

 

Ces matériaux servent aussi de modèles en recherche fondamentale, pour la culture cellulaire en 3D de cellules du tissu conjonctif, mais aussi pour analyser finement les dynamiques complexes impliquées dans la morphogenèse du tissu osseux.

Pour en savoir plus :

Équipe « Matériaux hybrides et nanomatériaux » au sein du laboratoire de chimie de la matière condensée de ParisNouvelle fenêtre (LCMCP, CNRS/UPMC/Collège de France)

SATT-LutechNouvelle fenêtre

Le labex MATISSENouvelle fenêtre

Conférence de Nadine Nassif au Collège de FranceNouvelle fenêtre

 

Références :

  • Y. Wang, T. Azaïs, M. Robin, A. Vallée, C. Catania, P. Legriel, G. Pehau-Arnaudet, F. Babonneau, M-M. Giraud-Guille and N. Nassif The predominant role of collagen in the nucleation, growth, structure and orientation of bone apatite, Nat. Mater. 2012, 11 (8), 724-733.
  • Y. Wang, S. Von Euw, F.M. Fernandes, S. Cassaignon, S. Mohammed, G. Laurent, G. Pehau-Arnaudet, C. Coelho, L. Bonhomme-Coury, M-M. Giraud-Guille, F. Babonneau, T. Azaïs, N. Nassif, Water-mediated structuring of bone apatite, Nat. Mater. 2013, 12 (12), 1144-1153.
  • Collagen‐based Materials for Tissue Repair, from Bio‐inspired to Biomimetic M. M. Giraud Guille, N. Nassif and F. M. Fernandes. Materials Design Inspired by Nature: Function Through Inner Architecture, 2013, 107-127.



24/05/16