Par S. Le Cann

La tenue à long-terme d’un implant repose sur le phénomène d’ostéointégration découvert dans les années 40, qui consiste en une repousse osseuse autour d’un corps étranger, le plus souvent métallique, pour l’intégrer dans l’os.

Bien que de nombreuses améliorations aient été apportées au cours des précédentes décennies, le descellement d’implant reste élevé et traumatisant, nécessitant souvent une nouvelle chirurgie pour le patient. Avec un vieillissement de la population allant de pair avec une augmentation de la fragilité osseuse, donc une augmentation de poses d’implants, il est crucial d’améliorer et de prolonger la durée de vie des prothèses. L’os est un tissu hiérarchique complexe, et la résistance mécanique de l’interface dépend de nombreuses propriétés biomécaniques telles que la structure et la composition de ce tissu interfacial. A travers ces deux études, nous avons mis en place des essais mécaniques « in situ », sous imagerie haute-résolution, dans le but de caractériser les propriétés mécaniques locales à l’interface os-implant.

FigureDes vis métalliques ont été implantées dans des tibias de rats et ostéointégrées durant 4 semaines, avec ajout de facteurs de croissance afin d’étudier leur impact sur le tissu osseux. Des essais mécaniques d’arrachement ont été réalisés au sein d’un microtomographe (3D), via plusieurs campagnes expérimentales utilisant un faisceau de rayons X (rayonnement synchrotron, PSI, Suisse) et un faisceau de neutrons (réacteur nucléaire, ILL, Grenoble), qui vont interagir différemment avec les échantillons. Les essais consistent à arracher par incrément successif l’implant, tout en acquérant simultanément un scan 3D, jusqu’à la rupture complète de l’interface. Les images récoltées sont ensuite étudiées via de l’analyse d’images, en particulier de la corrélation d’image volumique (DVC), qui consiste à comparer deux états de chargement successifs, et permet de quantifier les champs de déplacements et de déformations au sein de l’échantillon.

Ces essais ont révélé l’intrication de nombreux paramètres sur le comportement mécanique du complexe os-implant : à la fois l’utilisation de facteurs de croissance, qui augmentent la formation osseuse, mais également l’implantation des vis (angle, profondeur, contact avec l’os cortical). Nous avons également observé la complémentarité des techniques d’imagerie, en particulier en présence de composant métallique : les rayons X permettent d’atteindre rapidement une haute-résolution et ainsi étudier finement la microstructure osseuse, mais peuvent générer des artefacts au voisinage de l’implant, fortement réduits sous imagerie neutrons. Grâce à la corrélation d’images, nous avons pu isoler et suivre la formation des fractures au sein de l’os, difficilement observables sur les scans.

Ces travaux ont permis de développer un montage expérimental et une méthodologie originale pour étudier les déformations internes proche d’un implant, afin d’apporter un premier éclairage dans un contexte large de meilleure compréhension du phénomène de remodelage osseux autour d’un implant. Ces techniques d’imagerie haute-résolution permettront de valider par la suite des modèles numériques de fracture, dans le but d’atteindre une compréhension plus fine de l’interface os-implant. Mieux caractériser l’interface os-implant est indispensable afin de développer des stratégies pour améliorer l’ancrage osseux, comme les facteurs de croissance évalués dans cette étude, en vue d’améliorer les conditions de vie des patients.

Publications

Le Cann S, Tudisco E, Turunen MJ, Patera A, Mokso R, Tägil M, Belfrage O, Hall S, Isaksson H. (2019). Investigating the Mechanical Characteristics of Bone-Metal Implant Interface Using In situ Synchrotron Tomographic Imaging. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, Biomechanics. doi: 10.3389/fbioe.2018.00208

Le Cann S, Tudisco E, Perdikouri C, Belfrage O, Kastner A, Hall S, Tägil M, Isaksson H. (2017). Digital Volume Correlation to characterize the bone-metal implant interface with in situ loading under neutron tomographic imaging. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. doi: 10.1016/j.jmbbm.2017.07.001.

L’auteur

photo A Bracq

Sophie Le Cann est actuellement post-doctorante au laboratoire de Modélisation et Simulation Multi-Echelle (MSME) à Créteil.
Depuis sa thèse en biomécanique du rachis à Marseille, ses recherches gravitent autour de la caractérisation des implants et de leur ancrage dans l’os. Après un post-doctorat de 3 ans en Suède à l’Université de Lund, où ont été réalisés les travaux ici présentés, elle poursuit ses recherches au MSME grâce à une bourse européenne (MSCA-IF).

Copyright

© 2020 par l’auteur. Sauf mention contraire, le contenu du blog de la Société de Biomécanique (texte et figures) est distribué sous licence Creative Commons Attribution - Partage dans les mêmes conditions 4.0.

Nous attendons vos propositions d’articles pour ce blog ! Pour cela, lorsqu’une de vos étude a été publiée, ou à la suite de votre soutenance de thèse,  vous pouvez écrire un résumé de cette étude (format à télécharger ici, version en français obligatoire, version anglaise facultative) et l’envoyer à l’adresse : blog_sb@biomecanique.org