Brevet FR2688139A1 — publié le 19930910

NOUVEAU REVETEMENT POUR SYSTEME PROTHETIQUE La présente invention a pour objet un nouveau revête- ment pour système prothétique ainsi que les systèmes prothé- tiques recouverts avec le présent revêtement. Les prothèses ou systèmes prothétiques sont de plus en plus utilisés dans le domaine de la chirurgie Des exemples de telles applications concernent l'utilisation en orthopédie de prothèses du fémur et de ma hanche en cas de fracture du col du fémur, d'arthrose de la hanche, les prothèses pour la chirurgie réparatrice maxillo-faciale, l'orthopédie et autres. Comme tout corps étranger introduit dans l'organisme humain ou animal, le système prothétique doit être intégré par l'organisme, mais doit aussi remplir les fonctions de l'organe déficient ou remplacé, et ceci de façon rapide, sûre et durable. Les matériaux dits biocompatibles couramment utilisés pour la fabrication de ces systèmes prothétiques destinés à être implantés sont les céramiques, les alliages Co-Cr-Mo, et surtout actuellement le titane et ses alliages Grâce à de tels matériaux biocompatibles, le système prothétique osseux n'est que très peu sujet au phénomène de rejet Néanmoins, des problèmes spécifiques se sont posés En effet, dans la mesure o ces systèmes prothétiques osseux sont implantés dans un os, par exemple une prothèse de fémur dans le canal intramédullaire, il est nécessaire afin que le système pro- thétique remplissent ses fonctions de façon efficace, rapide, sûre et durable qu'il y ait croissance rapide, sûre et dura- ble de l'os à l'interface autour de ce système prothétique et subséquemment ancrage ("Bone Bonding") à celui-ci Ainsi, il a été proposé des revêtements pour systèmes prothétiques dont la fonction est de promouvoir ladite croissance ou réponse osseuse à l'interface os/prothèse pour conduire à une appo- sition osseuse et une ostéo-intégration, et ceci de façon rapide, sûre et durable. De nombreux revêtements ont été proposés, et ceux qui ont jusqu'à présent été retenus sont à base de phosphate de calcium En effet, l'os contenant une proportion majoritaire de phosphate de calcium, il a naturellement été employé des revêtements dont la nature et la structure chimique se rap- prochent de celles de l'os Ces différents phosphates de calcium sont l'hydroxyapatite (HA), le phosphate tricalcique (TCP) sous forme a et 13 (respectivement a-TCP et P-TCF) et quelques autres phosphates de calcium Ces phosphates de Ca se différencient par leur stoechiométrie et leurs propriétés cristallographiques Actuellement, le phosphate de calcium se rapprochant le plus du type osseux est l'hydroxyapatite Ce dernier composé est maintenant largement utilisé en tant que revêtement de système prothétique, avec des épaisseurs va- riant de quelques dizaines à plusieurs centaines de pm Les composés tels que le TCP et les mélanges de celui-ci avec l'HA sont aussi utilisés, ainsi que d'autres phosphates de calcium. Malheureusement, la croissance osseuse étant un phéno- mène extrêmement complexe, les revêtements prothétiques phos- phocalciques actuels ne donne pas actuellement entière satis- faction La croissance de l'os peut être décomposée en deux grandes réactions: une réaction chimique et une réaction histologique. La réaction histologique comprend tout d'abord une étape de "nettoyage" effectuée à l'aide de macrophages qui débarrassent la surface de l'implant par phagocytose. Ensuite, la réaction histologique se poursuit par une colonisation du revêtement par des cellules, telles que des ostéoblastes, fibroblastes, les macrophages précédemment ci- tés, etc, et par du liquide extra-cellulaire Il y a colo- nisation des surfaces du revêtement Les composants extra- cellulaires contiennent en outre des fibres protéiques, telles que des fibres collagéniques Lorsque la matrice s'or- ganise et est principalement constituée des fibres collagènes, elle est alors hautement différenciée et constitue un ostéoïde. La réaction chimique comprend tout d'abord une disso- lution extra-cellulaire La solution comprise dans le revê- tement s'enrichit en ions calcium et phosphore, libérés par la dissolution de certains cristaux Ensuite, les ions libé- rés et dissous précipitent Cette précipitation a lieu dans le liquide extra-cellulaire, un milieu riche en protéines sur lesquelles se fixent les ions Les cristaux ainsi formés sont des cristaux aciculaires d'apatites biologiques identiques à ceux de l'os Lorsque la matrice protéique est un ostéide, la précipitation des ions conduit à une ostéocoalescence entre le tissu hôte et la surface du matériau prothétique L'ostéo- génèse à la surface du revêtement ainsi obtenue se caracté- rise par un os vrai, apposé à la surface du matériau bioactif constitutif de la prothèse. Divers revêtements ont été proposés et le plus couram- ment employé est l'HA Ce revêtement présente cependant l'in- convénient ne n'être que très lentement résorbable et peu bioactif Certains auteurs ont décrit l'HA comme un matériau non résorbable, c'està-dire que la dégradation selon le processus de dissolution/précipitation est très lente et, de plus, l'HA ne favorise pas la minéralisation sur la matrice collagénique, but ultime recherché La formation et l'appo- sition d'un os vrai pourraient être retardées On a donc proposé des revêtements plus bioréactifs que l'HA, c'est-à- dire semi-résorbable Parmi ceux-ci, le TCP est le plus bio- réactif Malheureusement, la biodégradation du TCP est par- fois trop rapide, la résorption étant trop importante L'os- téoïde n'est pas encore formé lors de la dissolution/précipi- tation et donc il ne peut se former d'os Il apparaît néces- saire d'avoir un produit mixte associant la stabilité du HA et la forte bioréactivité du TCP, comme dans les applications d'un matériau biphasé macroporeux en comblement osseux. Ainsi, il a été proposé des systèmes biphasés HA/TCP ou BCP Les BCP de proportion 60/40 répondent aux objectifs d'équilibre entre les phénomènes histologiques et chimiques. Néanmoins, le BCP présente toujours deux inconvénients Comme la technique de dépôt du revêtement est la torche à plasma ou l'électrophorèse associé à un frittage, la forme cristalline du TCP peut varier entre la forme 3 et a, l'a-TCP est plus soluble que le Y, et les propriétés du BCP varient en consé- quence Le BCP obtenu par plasma est donc très bioactif En cas de complications secondaires, telles que la mobilisation de l'implant dans l'os receveur ou des complications septi- ques, ces complications pourraient entraîner la mise à nu rapide de la surface du matériau biocompatible constitutif de la prothèse I-1 se produit donc une encapsulation fibreuse à court terme et il ne pourrait y avoir ostéo-intégration. Ainsi, aucun revêtement actuellement utilisé ne permet de remplir efficacement les objectifs visés que sont une apposition osseuse et un ancrage de façon rapide, sûre et durable. La présente invention a donc pour objet un nouveau revêtement bioactif pour système prothétique avec une ciné- tique de dégradation et d'apposition améliorée. La présente invention fournit donc un revêtement pour système prothétique caractérisé en ce qu'il présente un gra- dient de résorbabilité selon le sens perpendiculaire à la surface dudit système prothétique, la couche interne étant la moins résorbable. Le terme "résorbabilité" signifie dans la présente descrip- tion la capacité d'un matériau à se résorber (ou se dégrader) par le phénomène de précipitation/dissolution Une résorbabi- lité élevée correspond à une résorption rapide, et inverse- ment. Le terme "gradient de résorbabilité désigne dans la présente description et dans les revendications auxquelles elle donne lieu, une différence, aussi bien discrète que continue, de la résorbabilité entre les couches externe et interne, la couche interne étant la moins résorbable La couche interne est la couche au contact du matériau biocompatible constitutif de la prothèse, la couche externe étant au contact du tissu hôte, c'est-à-dire l'os receveur Cette différence est d'un facteur d'au moins 3, et cette différence peut être monotone ou non. De préférence, le revêtement est constitué de matériau phosphocalcique. Selon un mode de réalisation, le revêtement est cons- titué de 2 ou plusieurs couches successives de résorbabilités différentes présentant ledit gradient de résorbabilité La différence est dans ce cas discrète. Avantageusement, le revêtement est constitué d'une couche à résorbabilité élevée et d'une couche à résorbabilité faible. Ladite couche de résorbabilité faible est de préférence en un matériau non-résorbable, c'est-à-dire très peu résorba- ble et peu bioactif Avantageusement, ledit matériau non- résorbable est l'hydroxyapatite (HA). Ladite couche à résorbabilité élevée est de préférence en un matériau semi-résorbable Avantageusement, ledit matériau semi-résorbable est un biphasé HA/TCP Ledit biphasé HA/TCP est un biphasé de composition massique 30/70 à 80/20. Selon le mode de réalisation dans lequel le présent revêtement est constitué de deux couches, l'épaisseur de ladite couche à résorbabilité élevée est de 10 à 100 pm, de préférence 20 à 50 pm. Selon ce même mode de réalisation, l'épaisseur de la- dite couche à résorbabilité faible est de 1 à 40 pm, de pré- férence 1 à 10 pm. La présente invention a aussi pour objet tout système prothétique recouvert du présent revêtement Ce système pro- thétique peut être une prothèse de fémur, maxillo-faciale, etc L'application du revêtement selon la présente invention se fait par tout procédé classique, tel que électrophorèse avec frittage, ou à l'aide d'une torche à plasma. Les exemples suivants sont donnés à titre illustratif et non limitatif de la présente invention, susceptible de variantes aisément accessibles à l'homme de l'art. EXEMPLE L'évaluation des propriétés est obtenue grâce à une étude statistique sur 40 lapins Cette évaluation est mise en oeu- vre sur des éprouvettes simples de type bâtonnet cylindrique soumises à des tests d'extraction axiale et à des analyses de coupes histologiques. Revêtements et surfaces testés Tr: témoin dont le revêtement est résorbé (Ra: 2,2) Ts: témoin dont l'état de surface est sablé à la bille de verre (Ra: 0,7) HA: hydroxyapatite à 100 % 3 % (impuretés) ( 50 pim) BCP: biphasé 60 % HA/40 % TCP ( 50 pim) RS: revêtement selon la présente invention: HA 100 % 3 %, 30 pm BCP 60/40, 30 pim Les revêtements sont appliqués à l'aide d'une torche à plas- ma Les conditions opératoires sont les conditions classique- ment utilisées pour une torche atmosphérique. Eprouvettes La forme de l'éprouvette est étudiée pour faciliter son extraction et son implantation L'éprouvette est cylindrique, de longueur 9 mm, de diamètre extérieur 3,5 mm, et percée d'un évidement intérieur circulaire de diamètre 1 mm L'é- prouvette est en titane TA 6 V (selon la norme ASTM F 620 79). Implantation des éprouvettes Chaque animal, de sexe masculin, a le même poids ( 2,7 + 0,2 kg) lors de la première intervention. L'implantation a lieu à deux endroits Le premier est situé dans la zone épiphysaire supérieure du tibia (au-dessous du "genou" et dans le plan frontal) et le second est situé dans la zone épiphysaire inférieure du fémur (au-dessus du "genou" et dans le plan sagittal) L'implantation chirurgi- cale se fait par voie interne, en prenant soin de déplacer les masses musculaires pour permettre un recouvrement ulté- rieur Le forage s'effectue à vitesse constante, limité par un foret (O 3,5 mm) à longueur prédéterminée et sous irriga- tion constante L'éprouvette est alors introduite dans le trou de forage ainsi réalisé Le contrôle de la pression de forage est manuel et l'appréciation de l'incidence est vi- suelle. Mode d'analyse statistique lapins sont utilisés aux fins d'analyse La première intervention consiste à implanter 2 échantillons sur une patte postérieure Trois semaines plus tard, la deuxième patte reçoit également 2 implants Le sacrifice a lieu au bout de 6 semaines permettant ainsi de récupérer sur un même lapin des implants de 3 et 6 semaines qui subiront des tests d'extraction et des analyses de coupes histologiques. Chaque type d'éprouvette est représenté 6 fois dans chaque site d'implantation et pour chaque délai d'implantation. Cette répartition est résumée dans le tableau I. TABLEAU I *: coupe histologique Extraction des éprouvettes Les implants qui subissent des tests d'extraction sui- vent le mode opératoire suivant: dissection des os, dégagement des extrémités des éprouvettes avec un scalpel, congélation immédiatement après, dans l'azote liquide, mise en place des os dans un gabarit, extraction des éprouvettes par repoussage: l'extrémité d'une pièce de guidage cylindrique de 3,5 mm de diamètre 3 SEMAINES 6 SEMAINES TOTAUX EPROU FEMUR TIBIA FEMUR TIBIA VETTES HISTOExtrac- HISTO*ExtracHISTOExtrac HISTOExtrac HISTOExtrac tion tion tion tion tion HA 1 5 1 5 1 5 1 5 4 20 BCP 1 _ 1 5 1 5 1 5 4 20 RS 1 5 1 5 1 5 1 5 4 20 Ts 1 5 O 12 O 6 1 il 2 34 Tr O 12 1 5 1 11 O 6 2 34 16 128 est mise en contact avec une extrémité de l'éprouvette, relevé des forces nécessaires à l'extraction de chaque éprouvette, calcul des contraintes après définition de la surface active d'après radiographie, la radiographie étant mise en oeuvre sur des clichés gradués. Les résultats sont donnés en M Pa dans le tableau II ci-après. TABLEAU II 3 SEMAINES 6 SEMAINES FEMUR TIBIA FEMUR TIBIA HA 2,760 3,053 3,025 2,439 BCP 3,214 3,251 3,199 2,582 RS 4,090 3,846 3,574 5,262 Tr 2,144 3,238 2,438 2,165 Ts 0,520 0,641 0,840 1,382 Ces résultats montrent clairement que la force d'extraction pour le revêtement selon la présente invention est nettement supérieure aux revêtements classiques. Coupes histologiques Les implants qui subissent les études histologiques suivent le mode opératoire suivant: euthanasie des lapins et dissection immédiate, observation clinique au cours de la dissection des masses musculaires, prélèvement du segment fémoral contenant les implants par section au disque diamanté ou à la scie à os, fixation au mélange gluta-paraformaldéhyde, radiographie X des pièces sur films standards den- taires, déshydratation des pièces par alcool de degrés crois- sants, inclusion des pièces méthylméthacrylate selon le pro- cédé des tissus calcifiés, polymérisation à l'étuve, coupes à la tronçonneuse à disque diamanté, amincissement par disque abrasif, réalisation de microradiographies de contact sur film HR, montage entre lames et lamelles, observations en microscopie photonique en lumière nor- male, polarisée et en lumière bleue pour l'étude fluo- rescence, étude d'une coupe par implant en MEB et en micro- analyse en dispersion d'énergie de l'interface os/pro- thèse. Résultats histologiques Témoin sablé: Ts Une repousse osseuse est observée, venant très souvent jusqu'au contact osseux Un fin liseré fibreux ou ostéoïde sépare l'os de l'implant Un remaniement osseux est observé dès la 6 ème semaine. Revêtement résorbé: Tr L'état de surface de ces échantillons est très rugueux (grenaillé) La repousse osseuse semble meilleure que pour le titane sablé, l'interface fibreux ostéoïde est rarement visi- ble Des processus de remaniement haversiens sont visibles au contact direct de l'implant. Revêtement HA La réponse osseuse est importante et "court" le long de l'implant depuis la corticale jusque sur quelques dixièmes de mm en zone médullaire Le remaniement osseux apparaît dès la 3 ème semaine et bien que le contact osseux soit parfait, il persiste des zones médullaires au contact du revêtement HA. Dans ces zones, semblent apparaître des processus de résorp- tion, mais très limités. Revêtement BCP La repousse osseuse est très importante dès la 3 ème semaine, l'ensemble de l'implant est recouvert d'os En zone médullaire, on observe un front continu d'os de 50 à 100 pm d'épaisseur, lamellaire, bien minéralisé, riche en ostéo- cytes. Des zones de résorptions apparaissent, et la "texture du revêtement" a changé En lumière polarisée, à fort gran- dissement, il semble y avoir une infiltration par des compo- sants de matrice organique et une transformation du minéral, des pores sont visibles (quelques microns de diamètre). A 6 semaines, la densité osseuse est accrue, et de nombreux remaniements osseux sont observés jusqu'au contact du BCP Le dépôt semble être cependant très fragile, friable, car de nombreux artéfacts de préparation apparaissent. Revêtement sandwich: RS Les deux couches ne sont pas identifiables Le résultat histologique est identique à celui des éprouvettes ayant eu un revêtement BCP; cependant, les artéfacts de préparation et de coupes sont moins apparents. La résistance du revêtement sandwich au contraire sem- ble donc meillèure que pour le BCP seul, et similaire à celui du revêtement HA, mais par-contre la qualité de la repousse et sa quantité (en particulier en zone médullaire) est simi- laire au revêtement BCP. Le revêtement sandwich permet ainsi de: développer une forte bioactivité et une ostéoconduction meilleure que HA, conserver une tenue mécanique aux contraintes équiva- lentes aux dépôts HA classiques. il REVENDICATIONS 1. Revêtement pour système prothétique caractérisé en ce qu'il présente un gradient de résorbabilité selon le sens perpendiculaire à la surface dudit système prothétique, la couche interne étant la moins résorbable. 2. Revêtement selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est constitué de matériau phosphocalcique. 3. Revêtement selon la revendication 1 ou 2, caracté- risé en ce qu'il est constitué de 2 ou plusieurs couches successives de résorbabilités différentes présentant ledit gradient de résorbabilité. 4. Révêtement-selonla revendication 1, 2 ou 3, carac- térisé en ce qu'il est constitué d'une couche à résorbabilité élevée et d'une couche à résorbabilité faible. 5 Revêtement selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite couche à résorbabilité faible est une couche en un matériau non-résorbable. 6. Revêtement selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit matériau non-résorbable est l'hydroxyapatite (HA). 7. Revêtement selon l'une quelconque des revendica- tions 4 à 6, caractérisé en ce que ladite couche à résorba- bilité élevée est une couche en un matériau semi-résorbable. 8. Revêtement selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit matériau semi-résorbable est un biphasé HA/TCP. 9. Revêtement selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit biphasé HA/TCP est un biphasé de composition massique 30/70 à 80/20. 10. Revêtement selon l'une quelconque des revendica- tions 4 à 9, caractérisé en ce que l'épaisseur de ladite couche à résorbabilité élevée est de 10 à 100 pm, de préfé- rence 20 à 50 pm. 11. Revêtement selon l'une quelconque des revendica- tions 4 à 10, caractérisé en ce que l'épaisseur de ladite couche à résorbabilité faible est de 1 à 40 pm, de préférence 1 à 10 pm. 12. Système prothétique recouvert du revêtement selon l'une quelconque des revendications 1 à 11.