Biomatériaux 3D pour la régénération osseuse en chirurgie orthopédique et traumatologie // 3D Biomaterials for bone regeneration in orthopedic surgery and traumatology

La reconstruction de défauts osseux de taille critique dans les os longs reste un défi pour les cliniciens. Dans le domaine de la chirurgie orthopédique et de la traumatologie, la greffe osseuse naturelle reste la principale méthode pour réparer les os. Cependant, cette greffe présente des inconvénients, car elle nécessite plusieurs chirurgies, engendre des douleurs chez le patient et une récupération physique lente. De plus, la quantité de greffe osseuse est limitée. C'est pourquoi des substituts de greffe osseuse ont été mis au point, principalement à base de matériaux céramiques dont la composition est proche celle de l'os. Ceux-ci peuvent sont bien adaptés pour réparer des défauts osseux de petite taille, mais ne peuvent pas être utilisés pour de gros défauts osseux (> 2 cm3) car ils sont mécaniquement fragiles. L'équipe BRM a mis au point un matériau 3D bioactif, qui est constitué d'un implant en polymère synthétique fabriqué par impression 3D, lui-même enduit sur toutes ses surfaces (interne, externe), par un film biomimétique. Ce film contient une protéine capable d'activer la régénération de l'os, la protéine morphogénétique osseuse (BMP-2). Ce matériau 3D bioactif a été testé chez le mini-cochon et chez le mouton, prouvant qu'un gros défaut osseux peut être régénéré s'il est stimulé activement et guidé dans sa régénération. Dans ce projet, il s'agira de développer une solution innovante pour la chirurgie orthopédique et la traumatologie. Le but est de réparer des fractures et traumatismes osseux difficiles à réparer, notamment pour les os longs (tibia, fémur), les jonctions entre os (fusions) et les fractures ouvertes.

Dans un premier temps, les indications où les besoins cliniques sont les plus importants en réparation osseuse dans le domaine de la chirurgie orthopédique seront identifiés. L'état de l'art sera réalisé, c'est-à-dire la compréhension des pratiques actuelles, et les indications seront classées par ordre d'importance.
Puis un cahier des charges techniques sera rédigé pour chaque indication ciblée, en considérant les deux principales.
Le matériau et la méthode de fabrication les plus adaptés pour répondre à chaque indication seront alors définis, de même que la conception de l'implant (forme, géométrie, porosité, propriété mécanique).
Dans un troisième temps, une preuve de concept de la production d'implant 3D pour la chirurgie orthopédique sera réalisée en les fabricant à l'aide d'une imprimante 3D. Pour cela, après conception des implants, une imprimante à fusion de filament (Fused Deposition Modeling) sera employée pour réaliser les prototypes en polymère synthétique (acide polylactique). Les implants seront caractérisés visuellement, qualitativement, et quantitativement par microscopie. Ils seront également testés mécaniquement.
Ce projet associera deux équipes expertes dans leur domaine. Cette première collaboration entre ces deux équipes mènera à l'ingénierie de nouveaux implants 3D bioactifs pour réparer les pertes osseuses étendues en orthopédie et traumatologie du sport.
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

The reconstruction of critically large bone defects in long bones remains a challenge for clinicians. In the field of orthopedic surgery and traumatology, autologous bone grafting remains the primary method for repairing bones. However, this procedure has drawbacks, as it requires multiple surgeries, causes pain for the patient, and results in a slow physical recovery. Furthermore, the amount of bone available for grafting is limited. This is why bone graft substitutes have been developed, primarily based on ceramic materials whose composition is similar to that of bone. These are well-suited for repairing small bone defects but cannot be used for large bone defects (>2 cm³) because they are mechanically fragile. The BRM team has developed a bioactive 3D material consisting of a synthetic polymer implant manufactured via 3D printing, which is coated on all its surfaces (internal and external) with a biomimetic film. This film contains a protein capable of activating bone regeneration, the bone morphogenetic protein (BMP-2).
This bioactive 3D material has been tested in miniature pigs and sheep, demonstrating that a large bone defect can be regenerated if actively stimulated and guided during the regeneration process. This project aims to develop an innovative solution for orthopedic surgery and traumatology. The goal is to repair difficult-to-treat bone fractures and injuries, particularly in long bones (tibia, femur), bone junctions (fusions), and open fractures.

First, the indications with the greatest clinical need for bone repair in the field of orthopedic surgery will be identified. A review of the current state of the art will be conducted—that is, an assessment of current practices—and the indications will be ranked in order of importance.
Next, technical specifications will be drafted for each targeted indication, focusing on the two main ones.
The most suitable material and manufacturing method for each indication will then be defined, along with the implant design (shape, geometry, porosity, mechanical properties).
In a third phase, a proof of concept for the production of 3D-printed implants for orthopedic surgery will be conducted by manufacturing them using a 3D printer. To this end, after the implants have been designed, a Fused Deposition Modeling (FDM) printer will be used to produce prototypes made of synthetic polymer (polylactic acid). The implants will be characterized visually, qualitatively, and quantitatively using microscopy. They will also undergo mechanical testing.
This project will bring together two teams of experts in their respective fields. This first collaboration between these two teams will lead to the development of new bioactive 3D implants to repair extensive bone loss in orthopedics and sports traumatology.
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Début de la thèse : 01/10/2026

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

Concours pour contrat doctoral

Université Grenoble Alpes

216 ISCE - Ingénierie pour la Santé la Cognition et l'Environnement

Ingénieur-e généraliste avec un socle en science des matériaux, modélisation, polymères
Engineer generalist with a background in materials science, modelling, polymers