Matériaux céramiques pour les prothèses orthopédiques

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.