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Les céramiques, biomatériaux de choix pour la réalisation d’implants
F. CAMBIER
BCRC
4, avenue Gouverneur Cornez
7000 Mons
Belgique

Le nombre et la complexité des interventions médicales vont sans cesse croissants. Il en découle un besoin accru de nouvelles techniques, de nouveaux produits et de nouveaux matériaux : les « biomatériaux » appellation qui regroupe tous les matériaux qui interagissent avec les systèmes biologiques pour traiter, renforcer ou remplacer un tissu, un organe ou une fonction de l’organisme. Les métaux et les polymères sont largement utilisés, les céramiques (biocéramiques), bien que de développement plus récent, ont trouvé, elles aussi, des applications nombreuses illustrées par le tableau 1.

TABLEAU 1 : UTILISATION DES BIOCERAMIQUES
DOMAINE CERAMIQUE
Dentaire Porcelaine, alumine, zircone
Articulation Alumine, zircone, hydroxyapatite (HAP)
Restauration osseuse HAP, phosphate tricalcique (TCP), bioverres
Implants de l’oreille interne Bioverres, HAP
Valves cardiaques Carbone
Implants oculaires HAP
Renforcement de prothèses Fibres céramiques

L’augmentation du nombre d’implants placés ces dernières années trouve son origine dans:

  • L’augmentation de la durée de vie des individus: on estime ainsi que le nombre de fractures du col du fémur va être multiplié par 4 d’ici 2050 (ostéoporose).
  • Le changement du mode de vie, pour certains, une pratique violente des sports, pour d’autres, une sédentarité excessive, l’ensemble impliquant tantôt des traumatismes sportifs, tantôt de l’arthrose.
  • Le refus de supporter la moindre restriction de la mobilité.
  • L’apport récent de solutions nouvelles permettra des interventions impossibles il y a quelques années encore.
  • Les biocéramiques peuvent, soit se substituer à l’os, soit apporter une réponse à une fonction déficiente.

    IMITER L’OS HUMAIN

    L’os est en fait un matériau composite (~ 60% HAP, 40% de fibres de collagène) caractérisé par une résistance à la flexion importante (sf ± 120 MPa) et un module d’élasticité faible (E ± 18 GPa), la résistance à la compression est à peine plus élevée que le sf (sc ± 150 MPa). Selon le type de porosité, on parle d’os compact (volume poreux, VP ~ 65%, diamètre, dp ~ 190 à 230 µm) ou d’os spongieux (dp ~ 500 à 600 µm).

    Les greffes d’origine humaine (auto ou allogreffes) et animales (xénogreffes) même si elles sont, par certains côtés, séduisantes, présentent des désavantages majeurs résumés dans le tableau 2.

    Une alternative est l’utilisation de coraux et de nacre, constitués d’aragonite (CaC03) poreuse. Néanmoins, la solution la plus prometteuse est de choisir des compositions chimiques les plus proches de celles observées dans le corps humain en générant au sein du matériau sélectionné, une porosité de taille et de diamètre d’interconnexion contrôlés.

    TABLEAU 2 : DESAVANTAGES DES GREFFES D’ORIGINES HUMAINE OU ANIMALE
    TYPE DE GREFFE DESAVANTAGES
      Autogreffes
  • 2 interventions simultanées
  • allongement du temps opératoire
  • anesthésie générale
  • (le donneur est le receveur)  
  • augmentation des pertes sanguines
  • douleurs inutiles, soins supplémentaires
  • 2 sites possibles d’infection
  • quantité de matériau limitée
  •   Allogreffes
  • risques bactériologiques, virologiques, immunogènes
  • qualité des greffons (souvent ostéoporose car donneurs âgés)
  • (le donneur est un cadavre)  
  • délais de conservation
  • coüt des greffons
  •   Xénogreffes
  • risques immunologiques majeurs d’où :
  • (le donneur est un animal)   – élimination de la phase organique
    – purification de la phase minérale

    APPORTER UNE SOLUTION STRUCTURELLE DANS LES PROTHESES ET IMPLANTS DIVERS

    Selon le type de céramiques considérées, celles-ci peuvent interagir différemment avec les tissus biologiques. En fonction de ce critère, on les classe selon trois catégories :

  • Les biocéramiques inertes : stables dans le temps, leur rôle est essentiellement mécanique (alumine, zircone, vitrocéramiques denses) ;
  • Les biocéramiques résorbables : assimilées par le milieu vivant, elles servent de comblement éphémère (b-TCP, plâtre de Paris, aragonite, certains bioverres) ;
  • Les biocéramiques réactives : favorisent la réponse osseuse en induisant une liaison chimique « biomécanique » entre l’implant et les tissus jouant le rôle d’interface (HAP poreux, bioverres).
  • Le tableau 3 compare pour différents couples de matériaux le marché occupé ainsi que l’usure constatée après un test simulant une durée de marche d’un an (1 million de cycles) pour une prothèse de hanche. On peut y constater l’énorme avantage des couples céramique-céramique par rapport à ceux impliquant des métaux ou polymères.

    TABLEAU 3
     Couple  Métal  PE* Al2O3  PE ZrO2  PE Métal  Métal Al2O3  Al2O3 ZrO2  Al2O3
    Marché (1990) 76 13 8 Disparu 3 < 1
    Usure
    (mm3/Mcycle)
    60 15 15 Enorme 1 0.01
    * PE : polyéthylène à haute densité

    Il est en effet, aujourd’hui, admis que le polyéthylène forme par usure des débris submicroniques qui sont digérés par les macrocellules, induisant ainsi la présence d’anticorps et conduisant, en général, à une dégénérescence de l’os autour de la prothèse qui se descelle. Les métaux forment également des microdébris que le corps assimile peu à peu, le danger réside dans certains alliages utilisés (contenant, par exemple, du chrome ou du cobalt).

    Notons, cependant, que les céramiques massives peuvent également se dégrader : l’alumine par arrachement de grains (apparemment bien assimilés), la zircone par déstabilisation progressive de la phase quadratique.

    La plupart des matériaux cités plus haut font l’objet de recherches dans les différentes région du réseau Euroceram. Des détails quant aux développements en cours peuvent être obtenus auprès des responsables régionaux.

              
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