Impression 3D d'implants médicaux bioactifs PAEK pour la reconstruction osseuse (3D BioPAEK) // : 3D printing bioactive PAEK medical implants for bone reconstruction (3D BioPAEK)

Les polyaryléthercétones (PAEK) sont des thermoplastiques haute performance offrant une alternative aux métaux tels que les alliages de titane pour la fixation et la reconstruction osseuse en chirurgie orthopédique et maxillo-faciale. Le marché mondial des implants orthopédiques connaît une croissance rapide avec le vieillissement de la population. Les PAEK sont largement utilisés dans les applications biomédicales en raison de leurs excellentes propriétés mécaniques proches de celles de l'os, leur résistance à la corrosion, leur radiotransparence, leur biocompatibilité et leur compatibilité avec les méthodes de stérilisation courantes. Cependant, leur nature bio-inerte et hydrophobe limite leur interaction avec le site d'implantation, entravant ainsi l'ostéointégration, c'est-à-dire la formation d'un contact direct entre le tissu osseux et l'implant. Une ostéointégration insuffisante peut entraîner une stabilité réduite de l'implant, la formation de biofilms, des inflammations et le développement de tissus fibreux.

La stabilité de l'implant repose tout d'abord sur un aspect mécanique lié aux zones en contact direct entre l'os et l'implant, puis sur la réponse biologique avec la formation de nouvel os autour de l'implant. Une bonne ostéointégration dépend de l'implant, de sa géométrie, de son état de surface et de sa bioactivité. L'amélioration de la bioactivité des PAEK passe par des modifications de surface visant à renforcer leur hydrophilie, l'adhésion cellulaire et l'intégration du tissu osseux. Nos recherches préliminaires, menées dans le cadre d'un stage de Master 2 INSERM/UTTOP, ont démontré que des cellules souches mésenchymateuses humaines adhèrent, prolifèrent et se différencient en ostéoblastes sur des matériaux PAEK sulfonés ou revêtus de polydopamine. Actuellement, l'usinage est utilisé pour la fabrication des implants en PAEK, mais l'impression 3D par dépôt de filament fondu (Fused Filament Fabrication, FFF) permet la production d'implants personnalisés, adaptés à l'anatomie du patient sur la base de scanners préopératoires. Cette technologie offre également la possibilité de contrôler la porosité interne, favorisant la croissance osseuse à l'intérieur des échafaudages et minimisant les différences mécaniques entre les implants en PAEK et l'os.

Ce projet de thèse vise à produire des échafaudages poreux en PAEK imprimés en 3D et dotés d'une bioactivité améliorée. Les polymères PEEK et PEKK seront étudiés avec différentes stratégies d'optimisation de l'adhésion cellulaire, de la prolifération et de la différenciation ostéogénique. Les étapes clés du projet de doctorat incluent :

- La fonctionnalisation chimique : la sulfonation introduit des groupes acides sulfoniques hydrophiles à la surface ou dans la masse du polymère à l'aide d'acide sulfurique (H₂SO₄).

- Revêtement bioactif: en France, la polydopamine servira d'ancrage pour le dépôt d'hydroxyapatite et de collagène (biominéralisé ou non) réticulé. Lors du stage de six mois au Brésil, trois types de revêtements seront produits par Solution Blow Spinning (SBS) :
Fibres monolithiques en polycaprolactone (PCL)/hydroxyapatite (HA)
Fibres cœur-écorce en polycaprolactone (PCL)-collagène/polyalcool vinylique (PVA)
Fibres cœur-écorce en PCL/HA-collagène/PVA

-L'optimisation de la porosité : une topographie micro/nanostructurée seraobtenue grâce à la fabrication additive par extrusion de matériau (MEX), combinant l'impression 3D avec des traitements de surface à l'H₂SO₄.

- L'évaluation biologique: Des cellules souches humaines (en collaboration avec Pierre Layrolle : INSERM, UMR 1214, ToNIC, Toulouse) seront mise en culture pour évaluer la biocompatibilité, l'adhésion cellulaire, la prolifération, la différenciation en ostéoblastes et ostéoclastes, la promotion de la minéralisation ainsi que les réponses inflammatoires et les processus de cicatrisation de manière générale, à l'aide de tests précliniques standardisés 'in vitro'.
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Polyaryletherketone (PAEK) are high-performance thermoplastics that offer an alternative to metals like titanium alloys for bone fixation and reconstruction in orthopaedical and maxillofacial surgeries. The world market of orthopaedic implants is rapidly growing with the ageing population. PAEK are widely used in biomedical applications due to their excellent mechanical properties close to those of bone, corrosion resistance, radiolucency, biocompatibility, and suitability by common sterilization methods. However, its bioinert and hydrophobic nature limits its interaction with the implantation site, hindering osseointegration, i.e. the formation of a direct contact between the bone tissue and the implant. This poor osseointegration can result in reduced implant stability, biofilm formation, inflammation, and fibrous tissue development.

Implant stability is based first of all on a mechanical aspect linked to the areas in direct contact between the bone and the implant and then on the biological response with the new bone formation in contact with the implant. Good osseointegration depends on the implant, its geometry, its surface condition, its bioactivity. Improving PAEK's bioactivity involves surface modifications to enhance hydrophilicity, cell adhesion, and bone tissue integration. Our preliminary research, a Master 2 internship INSERM/UTTOP, has shown that human mesenchymal stem cells successfully attach, proliferate, and differentiate into osteoblasts on sulfonated or polydopamine-coated PAEK materials. While machining is currently used for PAEK processing, 3D printing via Fused Filament Fabrication (FFF) enables the production of customized implants shape fitting the anatomy based on pre-operative CT scans for personalized bone reconstructions. This technology also allows controlled internal porosity, favoring bone in growth inside scaffolds and minimizing mechanical mismatches between PAEK implants and bone.

This PhD project aims to produce porous 3D-printed PAEK scaffolds with enhanced bioactivity. Both PEEK and PEKK will be studied, with various strategies to optimize cell adhesion, proliferation, and osteogenic differentiation. Key research steps of the PhD project include:
-Chemical functionalization: Sulfonation introduces hydrophilic sulfonic acid groups onto the polymer surface or bulk using sulfuric acid (H₂SO₄).
-Coating strategies: In France, polydopamine will serve as an anchor for depositing hydroxyapatite, (biomineralized) collagen crosslinked or not. During the 6-month internship in Brazil, 3 types of coatings will be produced by Solution Blow Spinning (SBS): (I) polycaprolactone (PCL)/hydroxyapatite (HA) monolithic fibers, (II) polycaprolactone (PCL)-collagen/poly(vinyl alcohol) (PVA) core-shell fibers; (III) PCL/HA-collagen/PVA core-shell fibers.
-Porosity enhancement: Micro/nanostructured topography is achieved through Material Extrusion (MEX) Additive Manufacturing (AM), combining 3D printing with H₂SO₄ surface treatments.
-Biological assessments: Human stem cells (in collaboration with Pierre Layrolle: INSERM, UMR 1214, ToNIC, Toulouse) will be used to assess biocompatibility, cell attachment, proliferation, osteoblasts and osteoclasts differentiation, promotion of mineralization as well as inflammatory responses and healing processes in general, using standardized “in vitro” preclinical tests.
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Début de la thèse : 01/10/2025

Contrat doctoral

Concours pour un contrat doctoral

Institut National Polytechnique de Toulouse

482 SDM - SCIENCES DE LA MATIERE - Toulouse

Le candidat doit avoir une formation scientifique spécialisée en science des matériaux, ingénierie des matériaux, ingénierie biomédicale, chimie des polymères ou un domaine connexe. Des compétences en chimie en solution sont essentielles, car ce projet implique des travaux expérimentaux en laboratoire. En plus d'une expérience en caractérisation des matériaux, notamment en AFM, le candidat doit faire preuve de curiosité scientifique pour aborder les différentes étapes proposées et être proactif dans la conduite de l'étude. Des connaissances en culture cellulaire et en fabrication additive seront appréciées. Le candidat doit également avoir un bon niveau d'anglais ainsi que d'excellentes compétences en communication écrite et orale. Idéalement, il termine un Master en recherche ou possède un à deux ans d'expérience après son Master en recherche.
The candidate must have a scientific background specializing in Materials Science, Materials Engineering, Biomedical Engineering, Polymer Chemistry, or related field. Solution chemistry skills are essential since this project implied lab bench work. In addition to experience in materials characterization such as AFM, the candidate must possess the scientific curiosity to address the various proposed steps and be proactive in the conduct of the study. Knowledge in cell culture and additive manufacturing will be appreciated. The candidate must also have a good level of English and excellent written and oral communication Ideally, the candidate will either be completing a Master's degree in Research or will have accumulated one to two years of experience following their Master's degree in Research.