1. Présentation des prothèses de hanches

 

 

    La hanche ou articulation coxo-fémorale est une articulation qui permet de joindre la cuisse au bassin. Elle met en jeu deux os : l'os iliaque et le fémur.

 

Certaines maladies de la hanche détruisent peu à peu cette articulation et il devient à un certain stade d'évolution nécessaire de la remplacer par une prothèse au cours d'une opération chirurgicale. 

 

Au bout d’un certain temps, il devient nécessaire de remplacer cette articulation détruite par certaines maladies à l’aide d’une opération chirurgicale.

La prothèse de hanche remplace l'articulation de hanche (coxo-fémorale). Elle est constituée d'une cupule cotyloïdienne et d'une bille pour la tête fémorale.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                             

                                                   

Schéma de l'articulation de la hanche

 

 Le choix des prothèses dépend de plusieurs facteurs :

• Age

• Qualité osseuse

• Activités

• Compétences musculaires

 

    Lorsqu’il s’agit seulement d’un organe déficient à remplacer, la prothèse partielle est utilisée et remplace ainsi la partie déficiente. Dans une prothèse partielle de hanche, on ne remplacera que la tête fémorale sans toucher à la cotyle. Contrairement aux prothèses partielles, la prothèse totale de hanche est utilisée afin de remplacer toutes les surfaces articulaires, abîmées par des maladies. En voici les principales :

 

- l’arthrose (l’usure du cartilage)

 - une nécrose de la tête du fémur (diminution de la vascularisation artérielle de la tête du fémur qu'on appelle "épiphyse")

- une maladie rhumatismale

- une dysplasie (évolution d’une malformation congénitale)

-  fractures du col du fémur (principalement chez les femmes âgées, ménopausées)

 

La prothèse totale de hanche est composée :

• D’une tige fémorale, sa forme et sa dimension sont adaptées au fémur du patient.

• D’une tête fémorale (partie supérieure du fémur)

• D’une cotyle représentée par une cavité creusé dans l’os iliaque (ou os de la hanche) et dans laquelle s’emboîte la tête du fémur. Il comprend 2 parties : une cupule et un insert emboîté dans ce dernier.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                 Schéma des composants d'une prothèse de hanche

 

    L’espérance de vie d’une prothèse de hanche est aujourd’hui, dans 90 % des cas, supérieure à vingt ans. Il existe 2 types de prothèses :

• Les prothèses cimentées : elles sont utilisées principalement pour des personnes âgées, ayant une qualité osseuse médiocre, après une fracture du col du fémur par exemple (moyenne d’âge : 80 ans). Le principal avantage de ces prothèses est qu’il permet de remarcher très rapidement. Cependant, ces prothèses doivent être de moins en moins utilisées, engendrant d’une part des troubles vasculaires (chute de la tension artérielle) mais peuvent également se desceller. Une ré-intervention est donc nécessaire, afin de changer la prothèse de hanche usée et la remplacer par une nouvelle.

• Les prothèses non cimentées : elles sont utilisées principalement chez les personnes jeunes, ayant une bonne qualité osseuse.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                     Radio représentant une PTH                      Radio représentantt une PPH remplaçant le cartilage usé

 

 

   2) Caractéristique d’une prothèse pour adhérer avec le corps

 

 

On distingue 4 grandes catégories de biomatériaux :

  -Les métaux

 

Les métaux sont en fait des alliages métalliques (combinaisons de plusieurs constituants : 2 au minimum dont 1 au moins est métallique).

 Le plus important par les volumes est l’acier inoxydable. L’intérêt de l’acier inoxydable dans ce domaine réside dans ses propretés mécaniques. Ce métal est de l’acier allié au chrome, au nickel et à d’autres éléments qui ont une influence sur sa résistance à la corrosion.

 

    La corrosion est une attaque des matériaux par des agents extérieurs et en particulier des métaux sous l’effet de réactions électrochimiques. La corrosion touche donc toutes sortes de matériaux comme les métaux, les céramiques et les polymères, dans des environnements variables (milieu aqueux, atmosphère, hautes températures). Les métaux à l’état naturel sont toujours extraits de minerais, ils ont donc tendance à évoluer vers un état stable qui correspond à leur état d’origine, c’est-à-dire à leur forme oxydée. Dès qu’un métal est en présence d’oxygène, son oxydation commence instantanément. La corrosion n'est donc qu'un retour à l'état d'oxyde naturel.

    L’acier est un alliage de fer et de carbone. La présence d’un minimum de 10,5% de chrome dans l’acier inoxydable lui confère des propriétés de résistance à la corrosion. Le chrome réagit avec le dioxygène de l’air et forme une couche d’oxyde de chrome qui va se créer à la surface du matériau et va donc protéger l’acier, c’est le chrome qui le rend inoxydable. Si cette couche est endommagée, un début de corrosion peut apparaître.

     La corrosion peut entraîner la dégradation du matériau. Celui-ci deviendra plus fragile et se brisera. Il faut donc choisir un matériau qui ne se corrode pas. L’acier inoxydable étant peu sensible à la corrosion, c’est pour cela qu’on l’utilise dans les prothèses de hanche cimentées.

    Il faut également mentionner le titane qui est utilisé principalement en chirurgie orthopédique. L’un des avantages principaux du titane est sa bonne biocompatibilité : l’os adhère spontanément au titane.

 

    Les principaux problèmes mal résolus avec les métaux sont les suivants :

• corrosion électro chimique et durabilité

• mécanisme de dégradations non électrochimiques incluant les interactions protéines métal-réaction immunitaire et d’hypersensibilité

• adaptation des propriétés mécaniques

• propriétés de frottements et problèmes de débris.

 

  -Les céramiques

 

Les céramiques sont des éléments solides non organiques et non métalliques.

Ils se caractérisent par une température de fusion élevée et un comportement fragile, qui déterminent leur domaine d’application.

Elles incluent entre autres des oxydes, des sulfures et des borures.

Dans le domaine des biomatériaux, on remarque principalement l’alumine et la zircone utilisée dans les têtes de prothèses de hanche.

 

• Céramiques alumineuses : leur constituant principal est l’alumine (Al2O3). L’alumine est la céramique la plus utilisée. La céramique d’alumine utilisée est obtenue à partir de poudre d’oxyde d’aluminium compressée à très haute température (1600°C). Ce matériau est stable et chimiquement inerte. Il est d’une très grande pureté et de haute densité. Sa mouillabilité est plus élevée que celle des métaux et polymères. Ce matériau est très dur, il résiste bien à l’usure et il est extrêmement rigide. Il s’agit cependant d’un matériau cassant et des fractures de têtes sont possibles avec ou sans choc surtout si on utilise des têtes de diamètre inférieur à 32mm.

 

• Céramiques à base d'oxyde de zirconium (zircone Zr02) : On ne les utilise plus aujourd’hui à cause du fort taux de fracture des têtes fémorales en zircone. Le défaut de la zircone est d’être métastable et il s’use au bout d’une dizaine d’années. La zircone a donc été abandonnée.

 

L’alumine durcie à la zircone, utilisée dans des applications mécaniques, est bien plus résistante et tenace que l’alumine pure. Ses propriétés additionnelles résultent d’une transformation sous contraintes due à l’incorporation uniforme de fines particules de zircone dans l’alumine. La teneur caractéristique en zircone est de 10 à 20%.

 

Des céramiques bio-actives comme l’hydroxyapatite (composant naturel de l’os) sont également utilisés. La poudre d’hydroxyapatite est obtenue par mélange de nitrate de calcium et de phosphate d’ammonium en milieu aqueux. De cette synthèse, né un matériau pâteux qui va devenir une poudre sphérique et pure au cours d’un processus.

 

Ces matériaux présentent l’avantage d’être ostéo conducteur, c’est à dire de favoriser la repousse osseuse et la colonisation par l’os.

Les principaux problèmes mal résolus avec les céramiques sont :

• Les mécanismes de dégradation

• La durabilité

• La résistance à la fracture

• L’activité de surface

• L’adhésion des protéines ou des cellules en surfaces

 

Les propriétés mécaniques et tribologiques de la céramique ont été améliorés, avec une diminution du risque de fracture.

 

 

   - Les polymères

 

Les polymères sont des matériaux dont la caractéristique commune est de provenir de la polymérisation d’un élément de base comme par exemple l’éthylène.

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                      Polymérisation de l'éthylène en polyéthylène

 

Le polyéthylène (macromolécules thermoplastiques) est le constituant des cupules.

 

On appelle polymère une grande molécule avec en général de longues chaînes d’atomes de carbones, constituée d’unités fondamentales appelées monomères (à composé constitué de molécules simples pouvant réagir avec d’autres monomères pour donner un polymère. Contrairement au polymère, un monomère a une faible masse moléculaire) reliées par des liaisons covalentes.

 

On distingue deux types de polymères :

 

• ­ Les polymères fonctionnels, c’est ­à ­dire susceptibles d’avoir une fonction chimique particulière à l’interface matériau-­tissu vivant, à savoir par exemple la capacité d’interaction avec les ostéoblastes (et/ou les fibroblastes) qui favorise la repousse osseuse. Ceci est envisagé par la fixation sur le polymère de groupements ionisés tels qu’orthophosphate, carbonate, carboxylate.

• ­Les polymères résorbables tels que les copolymères (à polymères qui comportent des motifs monomères de deux (ou plus) sortes différentes) d’acide lactique et d’acide glycolique qui sont utilisables en chirurgie orthopédique traumatologique.

 

Les principaux problèmes mal résolus avec les polymères ne concernent pas que la biocompatibilité à l’interface matériau­-tissu :

 

• ­Instabilité au rayonnement gamma

• ­Réactivité à certains types de médicaments

• ­ Calcification (dépôt et fixation de dépôts calcaires dans les tissus organiques)

• ­Risques liés aux additifs, aux composants de bas poids moléculaire, aux produits de la dégradation in vivo, aux produits résiduels de stérilisation

• ­Manque de bases de données pour évaluer les propriétés de surface, les réactions de biocompatibilité etc.

 

Biocompatibilité : « propriété d’un matériau à agir avec une réponse appropriée de l’hôte dans une application spécifique ». Capacité d’un matériau à ne pas induire de réaction de rejet. Absence de réponse immunitaire ou inflammatoire.

 

La polymérisation désigne une réaction chimique exothermique, fonction du temps et de la température, conduisant la matrice ou la résine à se solidifier de manière irréversible.

 

C’est donc un processus de transformation d’un monomère, ou d’un mélange de monomère en polymère. Des petites réagissent entre elles pour former des molécules de masses molaires plus élevées.

 

 Les polymères, par la nature de leur construction moléculaire à base de répétitions, sont des candidats pour l'élaboration de prothèses permanentes ou temporaires sophistiquées ou pour le remplacement des matériaux actuellement d'origine naturelle.

 

Afin de fixer la prothèse dans l’os et permettre une répartition plus harmonieuse des contraintes entre l’implant et l’os, un ciment chirurgical est utilisé, il s’agit du polyméthyl méthacrylate (plastique très dur, biologiquement compatible et exothermique.) Il ne s’agit pas d’une colle mais d’une résine. Le ciment est introduit à l’état pâteux et se solidifie en quelques minutes. Il permet la fixation d’un implant prothétique par pénétration dans l’os sur une faible épaisseur. C’est le type de fixation prothétique le plus utilisé depuis la fin des années 60. Cette fixation est durable mais le ciment résiste mal au granulome développé en réaction aux débris prothétiques.

 

Cas de la prothèse cimentée :

 

Les prothèses cimentées sont fixées dans l’os à l’aide d’un ciment osseux : le polyméthacrylate de méthyle (PMMA). Celui-­ci rempli tout l’espace entre la prothèse et l’os afin d’ancrer l’implant métallique à l’os du fémur. Sa principale fonction est de stabiliser l’implant est de transférer la charge entre la prothèse et l’os.

Le ciment polymérise autour de la tige fémorale et crée alors des contraintes résiduelles radiales en compression. En effet les rayons vont être compressés autour de la surface articulaire : la tige fémorale permettant de tenir l’implant fémoral en place.

L’utilisation du ciment osseux comme moyen de fixation dans les prothèses totales de hanche cimentées entraine la formation du système tige/ciment/os avec ses deux interfaces ; tige/ciment et os/ciment. La résistance mécanique entre le ciment osseux et le métal est un facteur crucial dans la stabilité à long terme de la composante fémorale de l’arthroplastie totale de la hanche. Une interface tige/ciment solide et stable assure une distribution et un transfert e la charge uniforme vers l’os.

 

Le PMMA souvent connu sous le nom de plexiglas est formé lors d’une réaction de polymérisation par addition.

L’accroissement de la chaine de polymère se produit au niveau de la liaison double du monomère. L’ouverture de cette liaison est possible par l’ajout d’un réactif chimique appelé initiateur, possédant un électron libre qui attire un des deux électrons qui participe à la double liaison C=C. Le second électron de cette double liaison s’associe à un électron du même type, appartenant à un autre monomère dont la double liaison a été également ouverte.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                           Polymérisation par addition méthacrylate de méthyle

 

 

L’indice optique du PMMA est proche de 1,5 et il est transparent aux UV. On lui ajoute donc de l’oxyde de baryum pour le rendre opaque permettant de le rendre visible à la radio.

Le PMMA est l’un des meilleurs polymères au plan de la biocompatibilité.

 

  3)Couples de frottements

 

    La tribologie est la science qui étudie les phénomènes susceptibles de se produire entre deux systèmes de matériels en contact, immobiles ou animés des mouvements relatifs. Ce terme recouvre en autre tous les domaines du frottement de l’usure, de l’étude et des interfaces et de la lubrification.

En France, les couples de frottement implantés se répartissent en 33,5 % de métal-polyéthylène, 29,5 % de céramique-polyéthylène, 29,3 % de céramique-céramique et 7,7 % de métal-métal

Depuis les premières implantations de Prothèses Totales de Hanche, de multiples possibilités techniques ont été développées pour améliorer le couple de frottement entre la tête et la cotyle d’une prothèse totale de hanche.

L’ensemble tête et cotyle est donc appelé couple de frottement.

 

Couples de frottements de la prothèse totale de hanche :

 

COUPLES DE FROTTEMENTS DUR/DUR

 

Dans les couples de frottements « dur-dur », les têtes fémorales et cupules prothétiques sont toutes deux en métal ou en céramique.

 

    -Couple céramique/céramique :

 

Il est constitué d’une tête et d’un insert en céramique massive. L’insert est fixé dans une cupule métallique. La céramique la plus utilisée est l’alumine. Le couple alumine-alumine offre un très faible taux d’usure, plus faible que le métal-métal ou métal-polyéthylène.

 

Il a d’excellentes qualités tribologies : Son usure pratiquement nulle et subit peu de cassures. Cependant, le point faible de ce couple est d’une part, sa fixation osseuse et d’autre part, le peu de tolérance à l’erreur de pose. Il est aussi susceptible de provoquer, dans 1 à 2% des cas, un grincement persistant qui peut être jugé incommodant au point de nécessiter une ré-intervention. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                           Prothèse céramique-céramique

 

    -Couple métal/métal :

 

  Il est composé d’une cotyle en métal associé à une tête en métal.

C’est un couple qui a été utilisé dès le début des premières prothèses totales de hanches mais qui a été abandonné en raison d’échecs. Depuis une dizaine d’années, elles sont réapparues en raison des progrès de fabrication.

Les principaux atouts du couple « métal-métal », sont un taux d’usure très faible et ainsi que la possibilité d’utiliser des têtes fémorales plus larges, limitant le risque de luxation.

 

Aucune toxicité, aucun cancer n’ont été rapportés, mais un certain nombre d’interrogations persistent avec ce type de couple de frottement :

• L’importance des taux sanguins des ions métalliques dans la circulation sanguine

•  L’existence d’ostéolyses d’origine immunologique par hypersensibilité

• Une action cellulaire toxique

• Des problèmes de fixation de l’insert métallique dans le polyéthylène de la cotyle ont été décrits.

 

COUPLE DE FROTTEMENT DUR/MOU

 

-Couple céramique polyéthylène et métal /polyéthylène

 

Le polyéthylène est un matériau encore très utilisé en raison de son faible coût et de sa facilité de fabrication. La fixation cimentée du polyéthylène directement dans l'os est immédiatement efficace, cependant, il est soumis à des phénomènes d’usure. Pour améliorer la résistance à l'usure d'un couple comportant du polyéthylène, certains associent une tête en céramique d'alumine, à la place de la tête en métal des premiers modèles de prothèse. L'usure du polyéthylène serait moindre pour un couple polyéthylène/céramique que pour un couple métal/ polyéthylène.

Le couple métal-polyéthylène se compose d’une tête en acier ou en alliage de chrome-cobalt. La cupule est en polyéthylène, et la tige fémorale principalement en acier.

Des efforts ont été menés pour améliorer la résistance à moyen et long terme du polyéthylène. Le polyéthylène réticulé est un type de polyéthylène ayant subi une réticulation, dans le but d'améliorer certaines propriétés, et particulièrement la résistance aux hautes températures.

La réticulation est le passage d'un polymère d'un état où les macromolécules sont indépendantes à un état où elles sont reliées par des liaisons chimiques. La réticulation du polyéthylène augmente la cohésion des chaînes qui constituent le matériau, et donc une augmentation de la résistance à l’usure. La réticulation est obtenue par irradiation Gamma. Le polyéthylène est appelé hautement réticulé si la dose d’irradiation est supérieure à 5 MGRad. L’irradiation entraîne la libération de radicaux libres et une modification des propriétés mécaniques du polyéthylène, en particulier une augmentation de la rigidité. Le polymère passe alors d'un état pâteux à un état solide, rigide, élastique et infusible.

 

Pour le couple métal/ polyéthylène, la tête fémorale est en acier ou en alliage de chrome-cobalt. Il reste aujourd’hui le plus utilisé.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                      

                                                                               Prothèse métal polyéthylène

 

    Pour les prothèses non cimentées, la tige et la cavité sont placées sans ciment. Les cupules sont fixées en force dans l’os et sont constituées, avec les têtes fémorales, de céramique ou de métal. Les tiges fémorales ont une partie striée pour éviter l’utilisation du ciment.  Les tiges sont en titane, recouvert d’hydroxyapatite. Celui-ci permet une bonne intégration de la tige à l’os du patient.

 

Pour les prothèses cimentées, la tige et la cavité de la hanche sont fixées à l’os grâce au ciment : le polyméthyl methacrylate. Les cupules cimentées sont en polyéthylène. Les tiges fémorales sont généralement en acier inoxydable et les têtes fémorales en chrome-cobalt. L’avantage de ces prothèses est qu’elles sont fixées directement à l’os.

Il faut en effet que les matériaux utilisés résistent aux contraintes de l’appui, et possèdent des propriétés de glissement (dureté, mouillabilité, rugosité) ne provoquant pas de débris d’usure dans l’articulation.