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Article

1 - PROTHÈSES ORTHOPÉDIQUES

  • 1.1 - Indications
  • 1.2 - Prothèses de hanches

2 - CÉRAMIQUES EN ORTHOPÉDIE

  • 2.1 - Procédés de fabrication
  • 2.2 - Rupture des céramiques

3 - COMPOSANTS DE PROTHÈSES EN ALUMINE

  • 3.1 - Introduction sur l'alumine
  • 3.2 - Évolutions de l'alumine utilisée dans le domaine biomédical
  • 3.3 - Utilisations de l'alumine en orthopédie

4 - COMPOSANTS DE PROTHÈSES EN ZIRCONE YTTRIÉE

  • 4.1 - Introduction sur la zircone
  • 4.2 - Mécanismes de dégradation de la zircone en présence d'eau
  • 4.3 - Utilisations de la zircone en orthopédie

5 - COMPOSANTS DE PROTHÈSES EN ALUMINE-ZIRCONE

6 - FUTUR DES BIOCÉRAMIQUES ORTHOPÉDIQUES

  • 6.1 - Nouvelles approches de la zircone : comment éviter le vieillissement ?
  • 6.2 - Nouvelles approches des composites alumine-zircone
  • 6.3 - Nitrure de silicium
  • 6.4 - Approches matériau/biologie

7 - CONCLUSION

8 - GLOSSAIRE – DÉFINITIONS

Article de référence | Réf : MED7100 v1

Futur des biocéramiques orthopédiques
Matériaux céramiques pour les prothèses orthopédiques

Auteur(s) : Laurent GREMILLARD, Jérôme CHEVALIER

Date de publication : 10 janv. 2016

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RÉSUMÉ

Les matériaux céramiques sont utilisés dans les prothèses orthopédiques depuis 1965. Depuis, l’alumine, puis la zircone et les composites alumine-zircone servent principalement en arthroplastie de la hanche pour la réalisation des couples de frottement (tête-cupule). Cet article traite de ces différents matériaux, de leur historique, de leurs avantages et de leurs inconvénients avant de conclure sur les développements qui aboutiront à de nouveaux matériaux et de nouvelles prothèses.

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ABSTRACT

Ceramic biomaterials for orthopaedic prostheses

Ceramic biomaterials have been used for orthopedic prostheses since 1965. Alumina, and later zirconia and zirconia-alumina composites were successively introduced, mainly for wear couples (head-cup) in total hip arthroplasty. This article examines these materials, their history, advantages and drawbacks. It concludes with an overview of the developments to come in materials and devices.

Auteur(s)

  • Laurent GREMILLARD : Directeur de recherche CNRS - Laboratoire MATEIS, Université de Lyon, INSA-Lyon/Université Lyon1/CNRS, Villeurbanne, France

  • Jérôme CHEVALIER : Professeur - Université de Lyon, Laboratoire MATEIS, INSA-Lyon/Université Lyon1/CNRS, Villeurbanne, France - Membre de l'Institut Universitaire de France

INTRODUCTION

Cet article présente les céramiques dites « bio-inertes » pour la réalisation d'implants orthopédiques (dispositifs implantés dans le corps humain pour restaurer une fonction articulaire). Les autres matériaux inorganiques utilisés pour la réalisation de revêtements de prothèses ou de substituts osseux (céramiques « bio-actives » de type phosphates de calcium, verres ou ciments) font l'objet d'articles spécifiques dans les Techniques de l'Ingénieur, et ne seront volontairement pas abordés ici.

Si l'utilisation de céramiques d'origine naturelle comme biomatériaux (donc de biocéramiques) remonte à plusieurs millénaires (utilisation de la nacre comme substitut dentaire chez les Mayas par exemple), l'utilisation contrôlée de céramiques techniques au contact du corps humain est bien plus tardive (porcelaine pour la fabrication de couronnes dentaires au XVIII e siècle, plâtre de Paris pour le comblement osseux au XIX e). C'est seulement au milieu du XX e siècle qu'apparaissent des céramiques techniques spécialement dédiées à l'orthopédie : en 1965, l'alumine (oxyde d'aluminium) est brevetée pour son application en tant que tête et cupule pour prothèses de hanche. Il s'agit de la première utilisation d'une biocéramique technique dite structurale (possédant des propriétés mécaniques élevées). Puis, pour les mêmes applications, sont apparus successivement la zircone et les composites alumine-zircone, qui possèdent des propriétés mécaniques encore meilleures.

L'alumine, la zircone et leurs composites sont considérés comme des céramiques « bio-inertes », car elles ne se lient pas directement avec l'os. En effet, après implantation d'une céramique bio-inerte, une capsule fibreuse se forme et isole l'implant de l'os, donc limite son intégration. C'est pourquoi ces matériaux ne sont pas utilisés pour le comblement osseux et rarement au contact direct avec l'os (sauf dans le cas des implants dentaires en zircone, nécessitant des traitements de surface particuliers).

La réalisation de surfaces de frottement est donc l'application majeure des biocéramiques inertes en orthopédie. En effet, l'utilisation de biocéramiques réduit l'usure des prothèses. Leur utilisation principale réside dans la fabrication de composants pour les prothèses de hanche (têtes et cupules), mais on peut aussi les retrouver récemment dans certaines prothèses de genou, dans les prothèses cervicales mobiles... Les succès cliniques associés à l'usage des céramiques ont conduit à l'implantation de plus de 600 000 têtes de prothèses de hanches en zircone, plus de 3,5 millions en alumine et près de 2 millions en composite alumine-zircone depuis le début de leur utilisation. L'inconvénient majeur des céramiques est leur caractère intrinsèquement fragile (dans le sens mécanique du mot : elles cassent avant déformation plastique). De ce fait, les débuts furent parfois chaotiques (jusqu'à 13 % de rupture pour certaines séries de têtes à la fin des années 1960). Le taux de rupture des têtes en alumine maintenant est très bas (inférieur à 0,01 %), et celui des têtes en alumine-zircone plus bas encore. Ce taux de rupture est donc négligeable devant le taux global d'échec des prothèses de hanche (de l'ordre de 15 % à 25 ans), échecs généralement dus à un descellement aseptique, souvent causé par la présence de débris d'usure en trop grande quantité dans le cas des prothèses métal-polyéthylène ou métal-métal. De manière générale, en réduisant la production de débris d'usure, les composants céramiques améliorent donc très notablement la durabilité des prothèses orthopédiques.

Après une introduction à l'orthopédie et aux procédés céramiques pour la fabrication de composants orthopédiques, cet article traite des trois matériaux céramiques les plus utilisés en orthopédie.

L'alumine offre les avantages d'être disponible facilement, de présenter des propriétés mécaniques correctes et d'être biocompatible. Les premiers développements faits sur cette base ont consisté à augmenter la contrainte à la rupture de ce matériau.

À la fin des années quatre-vingt, l'utilisation de la zircone a permis de réaliser des composants a priori plus fiables et/ou plus petits. Ses avantages et inconvénients sont décrits en lien avec sa microstructure, en insistant sur les aspects liés à son changement de phase. Le développement de la zircone atteint ses limites au début des années 2000 à cause – notamment – de problèmes de dégradation accélérée en présence d'eau.

Pour y faire face, des nouveaux composites alumine-zircone ont été mis au point.

Quelques perspectives sur les possibles évolutions des céramiques orthopédiques, que ce soit par des optimisations de matériaux existants ou par l'introduction de nouveaux candidats (notamment les céramiques covalentes telles que le nitrure de silicium) permettent de conclure.

Compte tenu de l'étendue du sujet traité et de la diversité des prothèses, il est difficile d'être exhaustif. En conséquence, la plupart des exemples traités portent sur les prothèses de hanche.

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KEYWORDS

durability   |   biocompatibility

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-med7100


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6. Futur des biocéramiques orthopédiques

Quelques pistes pour le futur des céramiques en orthopédie sont données : utilisation de céramiques covalentes (types nitrure de silicium), progrès sur les céramiques existantes, approches à l'interface biologie/matériaux...

6.1 Nouvelles approches de la zircone : comment éviter le vieillissement ?

Il pourrait sembler intéressant de « réhabiliter » les utilisations orthopédiques de la zircone. En effet, des recherches sont en cours sur ce matériau pour éliminer sa sensibilité au vieillissement hydrothermal, qui est son principal point faible. Ces recherches explorent trois axes.

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6.1.1 Augmenter la stabilité intrinsèque de la Y-TZP

Il s'est avéré qu'il s'agit d'une fausse bonne idée. En effet, augmenter la stabilité de la zircone Y-TZP est faisable : il suffit d'augmenter le taux d'yttrium ou de réduire la taille de grains. Les cinétiques de vieillissement sont alors effectivement retardées, mais les propriétés mécaniques sont moins bonnes du fait de la diminution du renforcement par transformation de phase.

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6.1.2 Stabilisation par codopage

Il s'agit ici de ne plus utiliser de la zircone stabilisée uniquement par l'yttrium, mais d'y adjoindre d'autres éléments chimiques.

Si ces éléments sont insolubles dans la zircone, on aura formation d'une phase secondaire. En particulier, l'addition de petites quantités d'alumine et de silice réduit notablement la sensibilité au vieillissement, tout en préservant les propriétés mécaniques ...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) -   Orthopédie.  -  In Larousse Médical, Édition (2006).

  • (2) - CATON (J.), PAPIN (P.) -   Typologie et épidémiologie des prothèses totales de hanche en France.  -  e-mémoires de l'académie Nationale de Chirurgie, 11(2), p. 001-007 (2012).

  • (3) - Haute Autorité de Santé -   Révision des descriptions générique de la liste des produits et prestations remboursables « prothèses articulaires de hanche »  -  (2007) http://www.has-sante.fr

  • (4) - Haute Autorité de Santé -   Révision des descriptions génériques de la liste des produits et prestations remboursables : implants articulaires du genou  -  (2012) http://www.has-sante.fr

  • (5) - Caisse Nationale d'Assurance Maladie -   Présentation des statistiques de l'assurance maladie  -  (2011) http://www.sante.gouv.fr

  • ...

1 Sites Internet

Nombres de prothèses céramiques implantées http://www.ceramtec.com/ceramic-materials/biolox/delta/, consulté le 27 mai 2014.

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2 Normes et standards

ISO 13356 - 2008 - Implants for surgery – Ceramic materials based on yttria-stabilized tetragonal zirconia (Y-TZP) - -

ISO 7206-2 - 2011 - Implants chirurgicaux – Prothèses partielles et totales de l'articulation de la hanche – Partie 2 : Surfaces articulaires constituées de matériaux métalliques, céramiques et plastiques - -

ISO 6474-1 - 2010 - Implants chirurgicaux – Produits céramiques...

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