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Analyse des conditions tribologiques favorisant la régénération d'une surface
articulaire cartilagineuse in vivo dans le contact pyrocarbone /os
Ghassene Ouenzerfi1 2*, Ana-Maria Sfarghiu1 , Michel Hassler2, Yves BERTHIER1,
1
Université de Lyon, CNRS INSA-Lyon, LaMCoS UMR5259, F-69621 Villeurbanne Cedex 2 R&D Tornier SAS, Grenoble , France
Contexte / Objectifs
Arthroplastie par interposition dans l’épaule:
une nouvelle génération des prothèses d’épaule
Usure du cartilage articulaire: 70% population après 50 ans
acromion
Solution
thérapeutique
muscles
Clavicule
L’articulation en
utilisant des prothèses
omoplate
cartilage
humérus
Le cartilage articulaire
Articulation de l’épaule
Usinage de l’os pour créer une cavité dans la tête
humérale pour interposer un implant libre en pyrocarbone
Plus d’un 1. 000.000 de Français sont
porteurs d’une prothèse totale de
hanche aujourd'hui
Os Coté
omoplate
Arthroplastie
Arthroplastie
totale
Cartilage
Objectifs:
Implant mobile Os nu et
en pyrocarbone usiné ,
Os
coté
humérus
Biomatériau
2cm
2cm
2cm
Hémi-prothèse d’épaule
Prothèse totale de genou
Industriel: Etudier et améliorer
l’applicabilité de l’utilisation de ce
matériau dans l’articulation de l’épaule
Scientifique: Comprendre le
comportement tribologique des
implants en pyrocarbone avec les
tissus biologiques
Os
biomatériau
biomatériau
cartilage
Tissus mous
adjacents
Arthroplastie par
interposition
Hémi-arthroplastie
biomatériau
Implant sphérique en Pyrocarbone:
implant libre: pas de fixation
cartilage
Remplacer
Liquide Synovial
2cm
Prothèse d’interposition de poignet
Stratégie
Bon fonctionnement bio-tribologique de l’implant ?
Reproduction de la
fonction articulaire
Longévité des implants en
Pyrocarbone
(Usure
Biocompatibilité )
Adaptabilité et
Indolence des
tissus environnants
Etude de la cinématique et dynamique de l’implant dans
l’articulation
Etude de la réaction et la (re)génération tissulaire autour de
l’implant (particulièrement l’os)
Analyse et caractérisation des surfaces frottantes du matériau
Implant
F3
en pyrocarbone
F1
Modèle algébrique (EPFL) du
système musculaire de l’épaule
Particules de pyrocarbone détectées sur des
tissus mous adjacents
-La structure osseuse est issue des contraintes mécaniques !
F4
-L’os est un tissu vascularisé et douloureux: création d’une
interface biologique entre l’os et l’implant?
Os
F2
Premiers résultats et perspectives
Membrane néo-formée d’origine fibrillaire avec
différenciation sous contraintes tribologiques en tissu
cartilagineux
Détection d’une membrane d’interposition collée sur la
cavité humérale lors d’une explantation
Surface du pyrocarbone
Os Coté
omoplate
Néo-cartilage (50um d’épaisseur)
Implant mobile
en pyrocarbone
cartilage
Tissus mous
adjacents
Implant mobile Os nu et
en pyrocarbone usiné ,
coté
humérus
Création d’une membrane d’interposition
à l’interface os/implant
Coupe histologique Coloration HES
Os nu et
usiné , coté
humérus
Tissu fibreux (3mm d’épaisseur)
Interface implant/os
Système complet
Os (cavité de l’humérus)
Etude de transformation tribologique du matériau
(en cours)
SEM
AFM
250nm
Rugosité locale
Modélisation numérique (en cours)
Module d’élasticité
Angle de contact avec
l’eau
Exploitation des scanners pour
faire des reconstructions 3D et
développer un modèle numérique
75,10° ± 3,78°
Implant
Ra global = 12.3 ± 3.2 nm
Ra = 7.0 ± 0.2
20 µm
5µm
Humérus
omoplate
Indentation (nm)
Module d’élasticité surfacique ~20GPa
!
Conclusion et perspectives:
- Adaptation des tissues biologiques à l’implant et aux conditions du fonctionnement tribologique: synthèse d’un tissu néo-cartilagineux
- Quel est le rôle du matériaux et des sollicitations mécaniques dans la synthèse du néo-cartilage ?
-
Etude plus contrôlée sur un modèle animal ( moutons) avec comparaison entre des implants en Pyrocarbone et en Chrome Cobalt
Reproduction ex-vivo du frottement Pyrocarbone en milieu vivant