Matériaux utilisés pour l’ostéosynthèse

Matériaux utilisés pour l’ostéosynthèse

Les matériaux utilisés pour les matériels implantables, c’est à dire les matériels (plaques, vis, broches) destinés à être inséres dans le corps humain peuvent être de deux sortes :

  • matériaux résorbables
  • matériaux non résorbables

Matériaux résorbables

Le principal avantage d’un implant biorésorbable est que son ablation devient superflue. Cependant, en raison de leur faible résistance mécanique, les implants biorésorbables ne sont pas utilisables comme implants d’ostéosynthèse soumis à des contraintes en charge. Les implants biorésorbables existants sont utilisés dans certaines indications comme en chirurgie de la main ou en chirurgie maxillo faciale.

Polylactides et autres polymères résorbables

Pour l’ostéosynthèse, les implants sont faits de polymères résorbables, de polylactides (PLA), mais aussi de polyclycolides (PGA), plus rarement de polyhydroxybutyrates (PHB) ou de polyhydroxyvalerates (PHV), mais le plus souvent de copolymères appropriés comme les polyactides (L-D/L). L’utilisation de polymères résorbables demeure limitée à certaines indications spécifiques en raison de leurs propriétés mécaniques limitées.

Pour la production d’implants orthopédiques, on emploie principalement des granules qui sont fondus et modelés avant leur extrusion sous une forme pré-déterminée. Après l’implantation, les caractéristiques mécaniques des polymères résorbables sont importantes initialement uniquement, dans la mesure où la résistance mécanique disparaît relativement vite, et certainement bien avant la détection des premiers signes de résorption. La structure de ces polymères influence leur dégradation tandis que les contraintes mécaniques et la dégradation agissent à l’inverse de ce qui est attendu d’un matériau d’ostéosynthèse.
La dégradation de ces matériaux est due aux interactions entre le matériau et les tissus du corps, c’est à dire par un mécanisme d’hydrolyse et de résorption des acides spécifiques du polymère.

Par conséquent, on peut supposer que la biocompatibilité de ce matériau est excellente, et ce d’autant plus que ces polymères sont réalises à partir de substances endogènes comme le polyester aliphatique, et d’autres polymères naturels comme la gélatine ou le collagène. On ne peut jamais exclure la survenue d’un épisode inflammatoire car la concentration en acide peut se retrouver en excès, du fait du processus de dégradation.

Les produits intermédiaires, issus eux aussi du processus de dégradation peuvent également inter-agir avec les tissus environnants et provoquer une réaction inflammatoire.

En traumatologie osseuse, des broches, des vis et des plaques sont réalisées et ont été validées dans des indications spécifiques.

En pratique, les implants réalisés à partir de matériaux biorésorbables sont peu utilisés. Il est en effet difficile d’évaluer leur résistance dans le temps. Utiliser ce type d’implant expose au risque de déplacement secondaire si la résorption s’effectue trop rapidement.

Matériaux non résorbables

Métaux

Les métaux utilisés en traumatologie osseuse ont des propriétés mécaniques et biologiques favorables et sont bien connus et ont été bien étudiés. Trois groupes principaux peuvent être distingués :

  1. alliages à base d’acier inoxydable
  2. titane et alliages de titane
  3. alliages de cobalt

Acier inoxydable

Aujourd’hui encore, l’acier inoxydable est le matériau le plus utilisé pour la fixation interne. Les raisons sont une combinaison favorable des propriétés mécaniques, de la résistance à la corrosion et de la biocompatibilité. La résistance à la corrosion élevée de l’acier est principalement due à la couche protectrice d’oxyde de chrome sur la surface du métal. Tous les aciers inoxydables utilisés dans la traumatologie osseuse sont non magnétiques. Leur résistance est obtenue par l’alliage d’éléments choisis et par le traitement effectué (travail à froid). En fonction de ce qui est attendu d’un implant, différents types d’acier inoxydable peuvent être utilisés.

Implants en acier inoxydable (alliages à base de Fer)
Ces types d’implants en acier inoxydab sont ceux utilisés généralement pour les plaques et les vis. Ils sont également utilisés pour les clous. Une ductilité élevée est idéale pour la malléabilité per-opératoire. De plus, la capacité de résister aux charges élevées, que ce soit de façon statique ou cyclique, rend le matériel idéal pour des implants d’ostéosynthèse. Les éléments principaux sont : Fe, Cr (17-19%), Ni (13 – 15%), Mo (2.25 – 3.5%) et C (<0.03%). En dépit de la teneur élevée en nickel, peu d’effets secondaires ont été signalés pour ce matériel. Par ailleurs, la matière première est disponible sous beaucoup de formes différentes, avec des délais de livraison courts et est bien adaptée pour l’usinage.

Acier inoxydable à faible teneur en nickel (Ni) 
Les implants en acier ont habituellement une teneur en nickel de 13 à 16%. Le nickel est connu pour être un allergène de contact. Dans les aciers à faible teneur en nickel, le nickel est remplacé par de l’azote et du manganèse. La force, la résistance à la corrosion et la résistance à la rupture sont sensiblement plus haut pour les aciers à faible teneur en nickel que pour les aciers inoxydables standard. En dépit de ces propriétés favorables, ce matériel est encore rarement employé, les raisons principales étant : fourniture limitée de matière première, prix du marché élevé et usinage exigeant.

Alliages à base de cobalt (alliages Co-Cr-Mo) 
Les alliages à base de cobalt sont également non magnétiques, résistants à l’usure , à la corrosion, à la chaleur. Ils sont difficile à produire et à usiner, mais des progrès significatifs ont été accompli ces dernières années. En raison de leur excellent comportement à long terme, ces alliages sont utilisés habituellement pour la chirurgie prothétique. Dans l’ostéosynthèse les qualités de ces matériaux sont moins intéressantes, une fois comparées à d’autres métaux en service, mais ont également leur application (en particulier pour les clous).

Titane

Le titane (Ti) a une résistance à la corrosion très élevée tout en étant biocompatible. En dépit de la longue et large utilisation des implants en Titane, pratiquement aucun effet secondaire en rapport avec la biocompatibilité n’a été rapporté ou publié. En ce qui concerne l’acier inoxydable le Titane a deux différences apparentes :

  1. Densité : Le Titane a une densité de 4.5 g/cm3, comparée à 7.9 à 8.3 g/cm3 pour les aciers inoxydables
  2. Le titane a une plus grande élasticité que l’acier inoxydable

Titane pur

Le titane « commercialement pur » (cpTi) a été industriellement développé dans les années 40 et rapidement son aptitude à être utilisé dans des application chirurgicales a été découverte. Quatre catégories de titane pur ont été définies. La première différence se situe dans la teneur en oxygène. Par rapport à ce qui est demandé à un implant lors de la mise en charge, le titane avec le taux d’oxygène le plus élevé, encore appelé titane de grade 4 est habituellement utilisé. Le cpTi est principalement employé pour des plaques et des vis dans des tailles et des indications multiples.

Alliages de titane

En traumatologie osseuse, différents alliages de titane sont utilisés. Comme le titane pur, ils sont biocompatibles et ont un haut pouvoir de résistance à la corrosion. De plus, ces alliages offrent des propriétés mécaniques plus élevées.

Titane Aluminium Niobium -TAN (TiAl6Nb7) et Titanium Aluminium Vanadium – TAV (TiAl6V4)

Ces deux matériaux sont utilisés couramment pour les implants d’ostéosynthèse. Dans le TAN, le Vanadium appartenant à cet alliage a été remplacé par un élément biologiquement inerte, le Niobium. Les deux éléments augmentent de manière significative à la fois la résistance mécanique aux contraintes statiques et cycliques. La ductilité de ces alliages est inférieure à celle du titane pur. Par conséquent, les implants fabriqués à partir de ces alliages sont bien adaptés pour supporter des contraintes élevées , mais pas dans des indications où un modelage per-opératoire de l’implant est requis. Ces matériaux sont utilisés essentiellement pour les clous et quelques modèles de plaques préformées.
[Material specification: TAN: ISO 5832-11, TAV: ISO 5832-3]

Titane Molybdène – TiMo (TiMo15)

TiMo a été conçu à l’origine pour l’industrie chimique qui recherchait un alliage de titane avec un haut pouvoir de résistance à la corrosion. Le principal avantage des alliages de Titane « beta » comme le TiMo15 par rapport au titane et aux autres alliages de titane est leur extrême malléabilité à froid. Les inconvénients sont le prix élevé, la mise en ouvre et la disponibilité limitée de la matière première. Par conséquent, ce matériau est utilisé principalement pour les plaques de petite taille comme les plaques de radius distal.
[Standard Specifications for TiMo15: ASTM F 2066]

Alliages à mémoire de forme (TiNi)

Des alliages à mémoire de forme sont également utilisés comme implants biomédicaux, le plus courant d’entre eux étant le Nitinol (Ti-Ni). Leurs propriétés sont dérivées du concept de la super-élasticité. Le Nitinol est utilisé dans les agrafes à compression, les ancres. En dépit d’une exceptionnelle résistance à la corrosion, la dissolution des ions cytotoxiques de Nitinol dans les tissus entourant les implants associé au risque d’hypersensibilité a limité l’usage du Nitinol comme matériau implantable.
[Standard Specifications for TiNi: ASTM F 2063]

Polymères

Les polymères utilisés en traumatologie osseuse peuvent être résorbables ou non résorbables.
En dépit des recherches effectuées et des avancées des dernières décennies, ces matériaux ont, à l’heure actuelle, des indications limitées comme matériau d’ostéosynthèse. Les facteurs limitants sont actuellement la résistance mécanique et le coût de revient élevé.

Polymères non résorbables

Poly-ether-ether-ketone (PEEK)
Le PEEK est un polymère haute performance et est déjà utilisé comme matériau pour les implants d’ostéosynthèse. Comparé à d’autres polymères, le PEEK a des propriétés mécaniques élevées , tout en restant inférieures à celles des métaux.
Le PEEK est résistant aux radiations et à la chaleur (jusqu’à 250 °C), peut-être stérilisé à de multiples reprises et est chimiquement inerte. Du Sulfate de Barium peut lui être ajouté afin d’accroître son opacité radiologique dans le but de le rendre visible sur les radiographies. Son application clinique se rencontre aujourd’hui sous la forme de rondelles pour la fixation ligamentaire et de cages dans la chirurgie rachidienne. D’autres applications sont envisageables notamment dans les cas d’artéfacts retrouvés lors d’examens tomodensitométriques ou par résonnance magnétique. Le PEEK est également utilisé pour l’instrumentation comme les guides de visée pour l’enclouage.
[Standard Specification for Polyaryletherketone (PAEK) Resins for Surgical Implant Applications ASTM F 1579-95]

PEEK renforcé

Le renfort permet de compenser la différence de résistance et la faiblesse des implants en polymère comparés aux implants métalliques. Pour des problèmes de biocompatibilité, qui peuvent s’avérer important en cas de rupture de l’implant, un renforcement par des fibres continues doit être préféré aux fibres de carbone ou aux fibres de verre. De plus en plus de nouvelles technologies comme modelage composite à jet continu sont disponibles et permettent de réaliser des implants à la fois résistants et radio-transparents.

complications liées aux matériaux utilisés

Cancérisation

Le risque de cancer lié à l’usage d’un matériau est en rapport avec le relargage de particules. Ce mécanisme est dû au contact entre 2 surfaces entre elles, l’une étant mobile par rapport à l’autre, et se retrouve essentiellement dans les arthroplasties. Les différentes études menées jusqu’à présent n’ont jamais retrouvé, chez des patients porteurs de prothèse de hanche ou de genou et suivis pendant de nombreuses années, une incidence plus importante de cancers.
Dans le cas d’une ostéosynthèse, les différentes pièces utilisées (vis et plaque) sont fixes l’une par rapport à l’autre et parfois même fixées en cas de plaque à vis bloquées. Il n’existe donc pas de « couple de frottement » entraînant le relargage de particules susceptibles d’induire une tumeur.
A ce jour, aucun cas de cancer induit par un matériel d’ostéosynthèse ou une prothèse, quel qu’ils soient, n’a été signalé.
Il paraît donc licite de faire disparaître le cancer de la liste des risques induits par l’ostéosynthèse, y compris lorsque le matériel est laissé en place.

Allergie

Les allergies cutanées aux métaux sont bien connues et fréquentes dans la population (10 à 15%). Elles concernent essentiellement trois éléments : le chrome, le cobalt et le nickel. L’allergie provoquée par un implant métallique au contact ce l’os (implant prothétique ou d’ostéosynthèse) est encore mal connue. Tout implant métallique subit un phénomène de corrosion au contact de l’organisme qui entraîne la libération d’ions (ion nickel, chrome, cobalt, etc.). Ces ions ne sont pas allèrgènes par eux-même mais peuvent activer le système immunitaire en s’associant avec des protéines. Les complexes ion métallique-protéine peuvent alors devenir des allergènes. Dans un certain nombre de cas rapportés dans la littérature, l’allergie au composant métallique a pu être prouvée de façon formelle avec la disparition des manifestations cliniques après le retrait de l’implant.

D’autres cas laissent planer le doute sur l’implication du phénomène allergique dans la genèse de la symptomatologie ; ainsi, Thomas rapporte une pseudarthrose de l’ulna associée à une « gène » présente depuis l’intervention. Le changement d’implant associé à une greffe osseuse permit d’obtenir la consolidation osseuse et la disparition de la symptomatologie douloureuse. Des tests cutanés effectués chez ce patient démontrèrent une sensibilité au chrome et l’étude des tissus autour de l’implant montra une population de lymphocytes T augmentée. Tout le problème est de savoir si l’allergie supposée a été responsable de l’absence de consolidation et des manifestations cliniques ou si, au contraire la pseudarthrose et le mouvement dans le matériel d’ostéosynthese associé a entraîné une production d’ions métalliques avec réaction de défense immunitaire de l’organisme. De la même manière, en chirurgie arthroplastique, la simultanéité d’une réaction allergique et d’un descellement a été étudiée, sans qu’on sache si l’allergie est responsable du descellement ou vice-versa.

Dans ces conditions, quelle doit être l’attitude du chirurgien face à la possible allergie d’un de ses patients à un implant métallique ? S’il est possible, pour de la chirurgie élective réglée, d’effectuer des tests de sensibilité avant l’intervention, ce n’est pas le cas en traumatologie. D’autre part, seul un petit pourcentage de patients dépistés positifs va développer une allergie à leur implant métallique, et le test de dépistage peut provoquer une sensibilisation source d’allergie future. Le bon sens voudrait qu’on évite les implants potentiellement allergènes chez des patients aux antécédents allergiques connus en gardant en mémoire le très faible pourcentage de réaction allergique en rapport avec un implant métallique au contact de l’os.