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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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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)
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Laurent GREMILLARD : Directeur de recherche CNRS - Laboratoire MATEIS, Université de Lyon, INSA-Lyon/Université Lyon1/CNRS, Villeurbanne, France
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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.
MOTS-CLÉS
KEYWORDS
durability | biocompatibility
DOI (Digital Object Identifier)
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5. Composants de prothèses en alumine-zircone
Le développement de la zircone atteint ses limites à cause – notamment – des problèmes de dégradation accélérée. Pour y faire face, des nouveaux composites alumine-zircone sont mis au point (à la fin des années 1990). Dans ce paragraphe, les principaux aspects de ces composites : microstructure, propriétés mécaniques et durabilité sont étudiés et des voies d'optimisation possibles sont proposées.
L'idée des composites alumine-zircone est au départ de tirer parti des avantages de deux matériaux : la dureté et l'inertie chimique de l'alumine et le renforcement par transformation de phase de la zircone. La manière la plus répandue de réaliser cela est de créer une dispersion homogène de grains de zircone dans une matrice alumine (on obtient alors un matériau dit « ZTA » (Zirconia-Toughened Alumina ). Une fissure se propageant dans un tel matériau provoque la transformation q-m des grains de zircone, et est donc ralentie par les contraintes de compression résultant de la transformation. Cela nécessite deux conditions :
-
d'une part, que les grains de zircone soient quadratiques au départ ;
-
d'autre part, qu'ils soient susceptibles de se transformer sous contrainte.
Ces deux conditions sont remplies lorsque les grains de zircone ont une taille comprise entre deux valeurs critiques : taille inférieure à la taille de transformation q-m spontanée et taille supérieure à la taille au-dessous de laquelle aucune transformation n'est possible. Ces deux tailles dépendent évidemment de la stabilité de la zircone utilisée, mais les composites réalisés suivant cette philosophie présentent généralement des tailles de grains de quelques dixièmes de micromètres.
Dans les ZTA, la stabilisation de la zircone est obtenue grâce à la présence de la matrice d'alumine, très rigide (figure 10). De ce fait, le dopage à l'yttrium n'est pas nécessaire et on peut éviter la présence de lacunes d'oxygène et donc le vieillissement. Cependant, même dans les composites contenant de la zircone yttriée, le vieillissement est fortement ralenti ...
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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
-
...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Nombres de prothèses céramiques implantées http://www.ceramtec.com/ceramic-materials/biolox/delta/, consulté le 27 mai 2014.
HAUT DE PAGE
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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