Brevet FR2478650A1 — publié le 19810925

La présente invention due à la collaboration de MM. Christian MICHAUD et Antoine LE DU du Commissariat à L'Energie Atomique et du Professeur Mlichel POSTEL de l'Hônital COCHIN et du Professeur Frantz LANGLAIS de l'Hôpital de Rennes, a pour objet un ciment utilisable pour la fixation de prothèses osseuses, On sait que, depuis quelques années, les problèmes posés par le traitement demaladies telles que l'arthrose de la hanche, peuvent être résolus par des interventions chirurgicales qui consistent à supprimer les parties attein- tes de l'articulation et à les remplacer par des prothèses métalliques, céramiques ou plastiques afin de retrouver les coefficients de frottement compatibles avec un fonctionnement convenable de l'articulation. Dans le cas de la hanche, les prothèses sont fixées, d'une part, dans le canal médullaire du fémur et, d'autre part, dans la cavité cotyloldienne du bassin. Jusqu'à présent, on a réalisé cette fixation au moyen de ciments polymères, obtenus en mélangeant une poudre de polyméthacrylate de méthyle avec du méthacrylate de méthyle monomère, un catalyseur et éventuellement du sulfate de baryum en tant qu'agent opacifiant. Cependant, de tels ciments ne sont pas totalement satisfaisants du point de vue médical; en effet, le métha- crylate de méthyle présente une certaine toxicité; par ailleurs, le durcissement de ces ciments s'effectue avec un dégagement de chaleur trop important, ce qui conduit à des températures relativement élevées de l'ordre de 80 à 900C et il se produit de plus un phénomène de retrait lors de la polymérisation. La présente invention a précisément pour objet un ciment utilisable pour la fixation de prothèsesosseuses, qui pallie les inconvénients précités, Ce ciment se caractérise en ce qu'il est obtenu par durcissement d'un mélange comprenant: a) au moins une résine époxyde présentant une grande réacti- vité et une toxicité très faible, constituée par un diépoxyde du glycidyl éther du bisphénol A; b) une charge minérale en poudre; c) un durcisseur capable de réagir avec ladite résine époxy- de pour provoquer son durcissement.; et d) un accélérateur de durcissement. De préférence selon l'invention, le mélange com- prend de plus une résine assouplissante réactive et non toxiqueconstituée par un polymère comprenant plusieurs fonctions réactives choisies dans le groupe comprenant les fonctions amine, carboxy, hydroxy et époxy, Le fait d'ajouter au mélange une résine de ce type permet de modifier et d'adapter.les propriétés mécani- ques du ciment durci, et en particulier d'augmenter sa souplesse.-, 'Avantageusement, la résine époxyde et la résine assouplissante ont.uneviscosité faible, par exemple de l'ordre de 200 poises. Le ciment tel que caractérise ci-dessus, présente en particulier l'avantage de ne pas être toxique, d'être compatible- long terme avec--le milieu biologique, d'être -durcissable-rapidemenrt (environ 10 minutes) sans retrait et sans-conduire à un--échauffement-important, et d'avoir debonnes propri-tés;-mécaniques qui restent stables au cours-du-tmps-. Par ailleurs,-les constituants de ce ciment peuvent être--facilement stérilisés sans dégradation, être conditionnés séparément, pendant une longue durée en étant -prédosés-de- façon à faciliter la tâche du chirurgien et éviter toute erreur de dosage au moment de l'utilisation. Selon l'invention, le choix d'une résine époxyde présentant une grande réactivité et une faible viscosité de préférence de l'ordre de 200 poises, éventuellement mélangée à une résine assouplissante, permet d'obtenir un mélange très réactif qui peut être durci en présence d'eau, Par ailleurs, l'adjonction d'un durcisseur et d'un accéléra- teur de durcissement appropriés permet d'obtenir un durcisse- ment rapide de ce mélange, Enfin, le fait d'ajouter une poudre minérale dont la nature chimique et la granulométrie sont choisies de façon à ne pas diminuer la réactivité de la résine, permet d'obtenir dès le mélange des constituants, une pâte ayant la consistance du mastic, ne collant pas aux mains, et répondant à la nécessité de pouvoir être mise en place facilement, lors de l'opération. Selon l'invention, tous les constituants du ciment sont choisis de façon à être compatibles avec le milieu biologique et à présenter une toxicité très faible. Avantageusement, la résine époxyde constituée par un diépoxyde du glycidyl éther du bisphénol A a la formule générale suivante: O OH C3 0 I % -oC-CH2 Ot-c-cH 2 O _ --CH2C'2 C1%. CH O3 o n-est voisin de 0,2. A titre d'exemple d'une résine de ce type sus- ceptible d'être utilisée, on peut citer la résine époxyde vendue sous la marque "EPIKOTE 828" par la Société SHELL, qui--correspond à la formule ci-dessus et a un poids molécu- laire moyen-d'environ 380, un équivalent époxy de l'ordre de 190 et un équivalent hydroxy de l'ordre de 1900. Cette résine présente une bonne réactivité, une faible viscosité (150 poises)et une faible toxicité. D'autres résines de la même famille peuvent être utilisées sans que la liste ci-dessous ne soit limitative: - Araldite 6010 de la Société CIBA "Epi-Rez" 510 - Jones Dabney Company (Celanèse Corp.) - Epotuf 37-140 Reichhold Chemical - ERL 2774 - Union Carbide. Selon l'invention, la résine assouplissante est de préférence un polyhutadiène comportant des groupes hydroxyle principalement en bout de chaîne et ayant la formule suivante a of c1 -{ DOHJ CH2 oR n a une valeur moyenne voisine de 30; par exemple, le produit vendu sous la marque "Butarez HTS" par la Société Philips Petroleum qui présente une bonne réactivité, a une longueur moyenne de chaîne en poids o d'environ 277 A, un taux moyen d'hydroxyle en poids de 0,66, une viscosité voisine de 100 poises à 22 C, et la répartition d'insaturation suivante: Cis: 34,6 % Trans: 38,3 % Vinyl: 27,1 % D'autres résines du même type à taux de vinyl égal ou inférieur peuvent également être utilisées. Selon l'invention, les durcisseurs utilisés sont avantageusement des composés à hydrogène actif, par exemple, des polyamines, des polyphénols, des polyacides, ou des polyalcools.-De préférence, on utilise des polyamines telles -que la-triéthylène tétramine dont la formule est la suivante: NH2 - (CH2)2 NH - (CH2)2 - NH - (CH2)2 - NH2 L'accélérateur de durcissement est choisi de façon à réduire le temps nécessaire pour obtenir le durcis- sement du mélange et à permettre son durcissement en présence d'eau. Comme accélérateur de durcissement, on utilise avantageusement, le mercapto-2-éthanol de formule: HS - CH2 - CH2 OH Selon l'invention, la charge minérale en poudre a une granulométrie choisie en fonction de la nature de la résine, en particulier de sa viscosité, pour permettre l'obtention d'un ciment ayant la consistance du mastic au moment de l'utilisation. Elle est avantageusement constituée par du phosphate de calcium. Cependant, d'autres charges peuvent être utilisées, par exemple de la silice, de l'alumine, ou encore des fibres courtes de carbone, de silice, etc. Par ailleurs, on ajoute de préférence a cette charge minérale un agent opacifiant aux rayons X, tel que du sulfate de baryum, ayant une granulométrie du même ordre que celle de la charge minérale. Enfin, on peut également ajouter au mélange un antibiotique. Selon l'invention, le-mélange comprend de préúfé- rence, pour 100-parties en poids de résine, - 50-à 80 parties en poids de charge minérale, - 10-â 20 parties en poids de durcisseur, et - 5 à 10 parties en poids d'accélérateur de durcissement. A titre d'exemple, un tel mélange peut être cons- titué par: - 100 parties en poids de résine époxyde "EPIKOTE 828", - 3,9 parties en poids de polybutadiène (BUTAREZ HTS), - 13,8 parties en poids de triéthylêne têtramine, - 6,06 parties en poids de mercapto-2-éthanol, 65 parties en poids de phosphate de calcium ayant une granulométrie moyenne d'environ 100 M et -].0 parties en poids de sulfate de baryum. De préférence, selon l'invention, on conditionne les différents constituants de la composition de ciment dans des récipients séparés qui contiennent chacun la dose nécessaire pour le mélange final de façon à faciliter la tache du chirurqien lors de la préparation duciment. Avantageusement, ces récipients sont constitués par trois seringues contenant respectivement la résine, le durcisseur et l'accélérateur, et un flacon contenant la poudre minérale; ces trois seringues et le récipient sont placés dans un sac en polyéthylène hermétiquement fermé, qui est ensuite stérilisé au moyen de rayonnements ionisants, par exemple de rayonnements gamma, à une dose d'environ 2,5 Mrad. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparattront mieux à la lecture de Irexemple suivant donné bien entendu à titre illustratif et non limi- tatif. Dans cet exemple, on prépare un ciment à partir des constituants suivants: a) mélange de résine "EPIKOTE 828" et de résine "BUTAREZ HTS", b) durcisseur constitué par de la triéthylène tétramine, c) accélérateur-de durcissement constitué par du mercapto-2- éthanol, et d) charge minérale constituée par un mélange de phosphate de calcium et de -sulfate de baryum. On-ccnditionne ces différents constituants de façon à pouvoir les soumettre ensuite à une stérilisation aumoyen de radiations ionisantes. Dans-ce but, on introduit dans une seringue hermé- tique-ayant un -volume d'environ 30 ml, réalisée en polypropylè- ne, un mélange de 23,1 g de résine "EPIKOTE 828" et 0,9 g de "BUTAREZ-HTS". Dans une seconde et une troisième seringues hermétiques, présentant un volume d'environ 5 ml, réalisées également en polypropylène, on introduit respectivement 3,2 g de triéthylène tétramine et 1,4 g de mercapto-2-éthanol. On remplit un flacon en polyéthylène d'environ 50 ml d'une charge pulvérulente constituée par 15 g de phosphate de calcium ayant une granulométrie moyenne de 100 p et 2,5 ou 5 g de sulfate de baryum de granulométrie voisine en obturant ensuite le flacon à l'aide d'un bouchon vissé. On dispose les trois seringues et le flacon dans un sac en polyéthylène avec une pastille de trioxyméthylène, puis on ferme le sac par soudure, et on soumet le tout à une stérilisation à l'aide de rayonnements ionisants à une dose de 2,5 Mrad. On obtient ainsi un sac contenant tous les cons- tituants de la composition de ciment qui seront mélangés seulement au moment de leur utilisation. Lors d'une intervention chirurgicale, la quantité de ciment utilisée est très faible et compte tenu de l'importance du temps de polymérisation, il est nécessaire de réaliser le mélange des différents constituants dans les conditions d'environnement les plus constantes possi- bles pour que la dissipation de chaleur lors de la réaction soit toujours la même et n'influe pas sur la durée de cette réaction. Pour obtenir ce résultat, on utilise des gobelets en polyéthylène et des agitateurs en bois du type "abaisse- langue" classique, qui peuvent avantageusement être disposés dans le sac en-polyéthylène et soumis à une stérilisation. En effet, on a remarqué que l'utilisation de gobelets--et d'agitateurs en d'autres matériaux, par exemple, en métaux ou-en faïence, conduit à des temps de polymérisa- tion plus-longs et moins constants. Pour effectuer le mélange, on ajoute successive- ment la résine-ou le mélange de résines, puis la charge et enfin-le durcisseur et l'accélérateur; et on soumet le mélange à un malaxage jusqu 'à ce que le produit ait la consistance du mastic. Dans les conditions habituelles, le mélange durcit en environ 10 mn et la température ne dépasse pas 550C. Après durcissement, on note que le retrait volu- mique est pratiquement nul alors que dans le cas de ciment à base de méthacrylate de méthyle, ce retrait est de l'ordre de 3 %. Par ailleurs, ce ciment présente des propriétés mécaniques satisfaisantes. En effet, lorsqu'on le soumet au bout de deux mois dans l'eau à 370C à des essais de traction à une vitesse de 1 mm par mn, la contrainte de traction est d'environ 230 bars, ce qui est du même ordre que celle des ciments au méthacrylate essayés dans les mêmes condi- tions. Enfin, la conservation des différents constituants conditionnés à 50C en vue de -leur utilisation, c'est-à-dire après introduction dans le sac et stérilisation de l'ensemble, a été testée au bout de 8 mois et on n'a constaté aucune évolution du mélange. Par ailleurs, les résultats de tests cutanés effectués par la méthode de Magrusson ont montré que les constituants du ciment ntétaient ni toxiques, ni allergi- sants. REVENDICATIONS 1. Ciment utilisable pour la fixation de prothèses osseuses, caractérisé en ce qu'il est obtenu par durcissement d'un mélange comprenant: a) au moins une résine époxyde présentant une grande réacti- vité et une toxicité très faible, constituée par un diépoxy- de du glycidyl éther du bisphénol A, b) une charge minérale en poudre, c) un durcisseur capable de réagir avec ladite résine époxyde pour provoquer son durcissement, et d) un accélérateur de durcissement. 2. Ciment selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit mélange comprend également une résine assou- plissante réactive et non toxique, constituée par un polymère comprenant plusieurs fonctions réactives choisies dans le groupe comprenant les fonctions amine, carboxy, hydroxy et époxy. 3. Ciment selon la revendication 2, caractérisé en ce que la résine assouplissante est un polybutadiène comportant des groupes hydroxyle principalement en bout de chaîne. 4. Ciment selon la revendication 3, caractérisé en ce que le polybutadiène a la formule suivante: HJU HO cFr2-CE = CH--CH C H2CHE V oi CH2 - o n a une valeur moyenne voisine de 30. 5. Ciment selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 4, caractérisé en ce que la résine époxyde a la formule suivante: 0 _\ OR - O I-3 Z o n est voisin de 0,2. 6. Ciment selon la revendication 5, caractérisé 4 en ce que la résine époxyde a un poids moléculaire moyen d'environ 380, un équivalent époxy de l'ordre de 190 et un équivalent hydroxy de l'ordre de 1900. 7. Ciment selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 6, caractérisé en ce que le durcisseur est une- polyamine. 8. Ciment selon la revendication 7, caractérisé en ce que le durcisseur est la triéthylène tétramine. 9. Ciment selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 8, caractérisé en ce que l'accélérateur de durcisse- ment est du mercapto-2-éthanol. 10. Ciment selon l'une quelconque des revendi- cations I à 8, caractérisé en ce que la charge minérale est constituée par du phosphate de calcium. Il. Ciment selon l'une quelconque des reven- dications 1 à-10, caractérisé en ce que la charge minérale comprend un agent opacifiant constitué par du sulfate de baryum. 12. Ciment selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 11, caractérisé en ce que ledit mélange comprend de plus un-antihiotique. 13. Ciment suivant l'une quelconque des revendi- cations 1 à 11, caractérisé en ce que le mélange comprend pour 100 parties en poids de résine époxyde ou d'un mélange de résine époxyde et de résine assouplissante, - 50 à 80 parties en poids de charge minérale, - 10 à 20 parties en poids de durcisseur, et - 5 à 10 parties en poids d'accélérateur de durcissement. 14. Ciment selon la revendication 2, caractérise en ce qu'il comprend, pour 100 parties en poids de résine époxyde de formule: * _ - O _a q o,;. o O-CH2 % 0 Oe>CH3 o n est voisin de 0,2. - 3,9 parties en poids de polybutadiène de formule. H j aCICH2-CH = C-CH- GCH I - CH il ot n a une valeur moyenne voisine de 30. - 13,8 parties en poids de trigthylène têtramine, - 6,06 parties en poids de mercapto-2-éthanol, - 65 parties en poids de phosphate de calcium ayant une granulométrie moyenne de 100 p, et - 10 parties en poids de sulfate de baryum.