ContexteLe manque de substance osseuse faisant suite à un traumatisme, malformation congénitale, infection ou encore à l'ablation d'une tumeur peut être compensé par une greffe autologue de substance osseuse. En cas de perte osseuse importante, la procédure privilégiée consiste à transplanter un greffon osseux vascularisé, provenant d'un site sain du patient, au sein du défaut osseux où il sera connecté aux vaisseaux sanguins environnants. Bien que très bénéfique, la forme du greffon est souvent mal adaptée au défaut osseux, et la procédure comporte des risques non-négligeables. Générer à façon un greffon synthétique vascularisé sans prélever d'os sain ou utiliser les techniques onéreuses et encore peu maitrisées d'ingénierie tissulaire représenterait une avancée significative dans le domaine de la chirurgie reconstructrice ainsi qu'une amélioration significative de la vie des patients. Induire la formation sur mesure d'un tissu osseux vascularisé a fait l'objet de nombreuses recherches, néanmoins de multiples verrous technologiques persistent. Mes recherches visent à étudier l'impact que pourrait avoir l'insertion d'une veine au sein d'un implant imprégné de moelle osseuse sur sa revascularisation et sur sa colonisation par une nouvelle matrice osseuse. Méthodes Des biocéramiques en monétite comportant un canal central ont été produites via fabrication additive. Un modèle murin (N=8 rats / group) a été utilisé pour cette étude. Après avoir été imprégné par de la moelle osseuse, prélevée sur un des fémurs, la biocéramique a été placée autour de la veine fémorale du site opposé. Après sacrifice (8 semaines d'implantation), la structure, organisation et composition du nouvel os formé a été évaluée par microCT, microscope électronique à balayage et histologie.RésultatsUn écart moyen de +150 µm entre la géométrie des biocéramiques imprimées et leur modèle CAD a été observé. Après stérilisation, les implants comportaient une microporosité ente 1 et 10 µm, leur composition étant 80.2% en masse de monétite et respectivement 1.8 et 18% massique de réactifs initiaux (α- et β-TCP). Les analyses des explants (µCT, SEM, N= 4-5 x3) après 8 semaines d'implantation ont révélé que (i) la formation osseuse était (2.2 ± 0.2) fois plus importante (P<0.0001) lorsque la biocéramique était perfusée par la veine fémorale (65.0 ± 5.6% versus 29.0 ± 4.2%) et (ii) la biodégradation des céramiques était (2.9 ± 0.3) supérieure en présence de cette veine. En outre, notons que la présence de moelle osseuse au sein de ces biocéramiques a stimulé leur biodégradation (c.f. contrôles historiques). Conclusion L'approche considérée a permis le développement de volumes osseux vascularisés par des vaisseaux de taille importante (≈ 1mm) en site ectopique – les valeurs rapportées étant bien supérieures à celles trouvées dans la littérature. Nos résultats illustrent les liens intimes entre angiogenèse et ostéogenèse, et avancent des perspectives prometteuses pour la régénération des défauts osseux de taille critique. En bref, nous avons démontré que la présence d'une veine peut supporter la formation d'un os nouveaux en site ectopique (65% du volume de l'implant) qui vient se substituer à la biodégradation de sa structure d'accueil. De plus, la structure adoptée par l'os formé n'est pas sans rappeler la structure naturelle des os longs, avec une corticale dense et peu vascularisée et une zone trabéculaire largement vascularisée et accueillant la moelle osseuse. De futurs travaux se focaliseront sur la transplantation et stabilité de ces greffons synthétiques vascularisés en site porteur orthotopique (e.g. fémur).

Background Bone graft procedures are commonly performed worldwide for segmental bone defects resulting from high-energy trauma, congenital deformity, infection or tumor resection. The current gold standard for repair of large long bone defects is the use of bone and blood vessels, as vascularized bone graft, harvested from another part of the body and transplanted to the area of the missing tissue. This creates significant donor site injury and is often an inadequate anatomical match. Making synthetic vascularized bone without recourse to potentially dangerous and expensive growth factors can potentially revolutionize reconstructive surgery and provide significant improvements in patients' lives. Inducing new blood vessels and engineering bones to custom geometry is the objective of many researchers but several technological hurdles remain. My thesis explores whether axial vascularization of a bioceramic affects bone generation from marrow aspirate and, to understand the impact of axial vascularization in bio-scaffolds. Methods We designed, cross-shaped, monetite bioceramic to fit the rat femoral vein and impregnated the scaffold with autologous bone marrow taken from the other leg. This implant was then implanted circumferentially around the vein of 16 rats and removed after 8 weeks. The structure, stability, and composition of the new bone was be assessed by micro computed tomography (micro-CT), Scanning Electron Microscope (SEM), and histopathology examinations. Results Scaffolds were printed with a mean deviation of +150 µm compared to their theoretical CAD model, were mainly composed of monetite (80.2%wt) and unreacted α- (1.8 %wt) and β-TCP (18 %wt) phases and displayed a micro- (> 50%vol between 1 and 10 µm) and Nano-porosity. A greater volume of new bone tissue was observed and quantified (SEM, µCT) in scaffolds perfused by a central vein compared with the non-perfused negative control (65.0 ± 5.6 % of the initial scaffold volume versus 29.0 ± 4.2%, P < 0.0001, N=4 or 5, triplicate representative areas per sample). Bone formation and ceramic biodegradation were (2.2 ± 0.2) and (2.9 ± 0.3) times higher for the experimental group than for the control one, respectively. In addition, implant biodegradation for both control and experimental groups were far greater than for both historical controls (implant and implant vascularized by a vein, ≈ 16.5% degradation). Conclusion Experiments showed promising results, we produced an axially vascularized tissue-engineered bone using marrow at a higher level than has been reported in the literature. This illustrates the intimate relationship between angiogenesis and osteogenesis, this is especially important to tackle the issues encountered for regeneration of critical-sized bone defects. In this study we showed that the presence of a vein perfusing a blood marrow soaked monetite implant allowed for generating enormous amount of bone (up to 65%) replacing the quasi totality of the implant (≈ 15% remaining). Even more, the structure adopted by this host-made engineered construct may surprisingly remain the structure of long bone, including a low vascularized and dense cortical layer surrounding a highly vascularized trabecular zone which hosts the marrow. Future work will focus on the mechanical stability of these vascularized bone flaps in load bearing sites.

Barralet, Jake (Internal/Supervisor)