TPE SANTE
Comment certaines endoprothèses remplacent-elles une partie de l'appareil locomoteur de l'épaule ?
Par une technologie, acceptée par le corps humain, remplaçante des organes invalides
Pour comprendre comment une endoprothèse peut-elle remplacer une partie de l’appareil locomoteur de l’épaule, nous nous sommes intéressés aux matériaux. En effet, la constitution des prothèses est à prendre en compte car la présence d’un corps étranger dans le corps humain peut être problématique : On a souligné que l’endoprothèse de l’épaule remplace les os ( la tête humérale, la glène, et la tige de l’humérus) pour un problème de cartilage usé, donc quels sont les matériaux pouvant remplacer l’appareil locomoteur, plus précisément les os, sans risques (par exemple : allégie, rejet de la prothèse…) . Il est donc essentiel de choisir la prothèse selon des caractéristiques : La légèreté, la résistance, la solidité, la tolérance cutanée, la dilatation…
Pour poursuivre nos recherches, nous avons voulu, à présent, déterminer les différents matériaux qui entrent dans la composition d'une prothèse d'épaule. Pour ainsi déterminer leurs impacts sur le corps humain.
Il faut tout d'abord savoir que l'utilisation des matériaux pour les prothèses sont basés sur 3 critères : leur biocompatibilité (bonne tolérance par l'organisme humain), leur résistance à la corrosion et leurs propriétés mécaniques.
Comme nous l’avons vu précédemment, l'articulation de l'épaule est une articulation très complexe, qui permet de grandes amplitudes dans tous les plans de l'espace. La prothèse doit donc être optimale au niveau de sa stabilité. La prothèse d'épaule est donc constituée de plusieurs matériaux qui vont s'articuler entre eux avec des couples de frottements (ou forces de frottement). Il est obligatoire d'obtenir des couples de frottements pour obtenir une bonne cohésion entre les différentes parties de la prothèse. Ainsi, les alliages de métaux s'articulent avec des pièces en polyéthylène, on va parler de couple de frottement métal-polyéthylène. D'autres associations sont possibles : les pièces en alliage de métal peuvent s'articuler avec d'autres pièces en alliage de métal, on parlera ici de couple de frottement métal-métal. Des pièces en céramique peuvent s'articuler avec du polyéthylène, ce qui formera un couple de frottement céramique-polyéthylène ou avec une autre pièce en céramique, qui deviendra un couple de frottement céramique-céramique. Ce qui explique la multitude de combinaisons possibles entre chaque partie de la prothèse : tête, tige, glène…
Nous avons ici un cliché d'un couple de frottement céramique, puisque les deux éléments de la prothèse sont en céramique
La prothèse est constituée de plusieurs pièces faites de différentes matières. Nous avons donc rassemblé des différents matériaux qui peuvent entrer dans la composition d'une prothèse :
• les métaux sont en fait des alliages (combinaison dont un au moins est métallique). On peut distinguer : les aciers inoxydables (acier inox et chrome-cobalt), et les alliages à base de titane et les nouveaux alliages : nickel-titane
• les céramiques sont des éléments solides non-organiques et non métalliques. Les céramiques le plus souvent utilisées en orthopédie sont l'alumine et la zircone. La fabrication des céramiques demande une technologie complexe. Des céramiques bio-actives comme l'hydroxyapatite (composant naturel de l'os) sont également utilisées. D'autres matériaux d'origine biologique comme le corail, céramique naturelle poreuse, sont peu utilisés car ils sont plus rares et coûteux en main d'oeuvre.
• les polymères sont des matériaux qui proviennent tous de la polymérisation d'un élément de base comme par exemple l'éthylène, qui forme le polyéthylène (ou PEHD : polyéthylène à haute densité) : sorte de plastique très dur. La polymérisation est le fait d'assembler plusieurs molécules identiques afin d'en former une plus grosse.
Actuellement, toutes les prothèses fabriquées sont faites à partir de matériaux qui s'usent plus ou moins vite. Par exemple, le polyéthylène (le plus généralement utilisé pour les prothèses d'épaule) s'use entre 15 et 20 ans sauf si la prothèse aurait mal été posée. Il est également à noter que le PEHD peut s'user plus rapidement que les autres matériaux et qu'il peut avoir des décèlements. On peut donc dire que chaque matériau a ses avantages et ses inconvénients. Par exemple, le titane est un excellent encrage seulement, il procure un mauvais glissement. Au contraire, le chrome-cobalt procure un excellent glissement, mais il est d'un ancrage moyen.
Les couples de frottement métal-métal et céramique-céramique s'usent peut-être moins vite, mais actuellement aucune étude suffisamment longue ne permet de le prouver. Quand la prothèse est usée, il faut parfois la remplacer.
Pour ce qui concerne l'adaptation de la prothèse dans le corps, il existe deux principes de fixations des prothèses dans le corps.
Dans un premier cas, la fixation est biologique. La surface de la prothèse est finement poreuse (la taille des pores est très précise) et l’os va progressivement s’introduire entre les pores pour maintenir durablement l’implant. Dans certains cas des matériaux de surface appelés ostéo-inducteurs ou ostéo-conducteurs vont faciliter ce phénomène. (hydroxyapathite, calcium di-phosphate, etc.).
Puis dans le second cas, le chirurgien peut également avoir recours à l'utilisation d'un ciment pour fixer la prothèse. En effet, la prothèse est « collée » à l’intérieur de l'humérus par ce que l’on appelle du ciment chirurgical. Ce ciment chirurgical utilisé pour fixer la prothèse dans l'os est un polymère appelé polyméthyl méthacrylate (plastique très dur, biologiquement compatible). Il ne s’agit pas d'une colle mais d’une résine qui polymérise rapidement (semblable aux fixations chimiques utilisées dans le bâtiment) et fixe parfaitement la prothèse dans l’os. Au cours de notre entretien, le chirurgien orthopédiste nous a précisé qu'il s'agissait d'une poudre diluée dans un solvant qui provoquait une réaction exothermique à 80°C. Cette fixation est durable. C'est le type de fixation prothétique le plus fréquemment utilisé depuis la fin des années 60.
Le type de fixation est en principe défini à l’avance selon les habitudes du chirurgien, le type de prothèse ainsi que le patient (âge, certaines pathologies) mais il est parfois nécessaire de changer de méthode en cours d’intervention notamment en fonction de la qualité osseuse rencontrée.
Après avoir étudié les différents matériaux qui intervenaient dans la composition de la prothèse d'épaule. Nous nous sommes intéressés aux différents facteurs qui entraient en jeu dans la fabrication d'une prothèse. Notamment, si le facteur de dilatation des métaux était pris en compte dans la fabrication d'une prothèse. Nous nous sommes donc demandés si le métal peut se dilater dans un corps. Ce qui nous a poussé à réalisé une expérience sur la dilatation des métaux. Nous avons tout d'abord rédigé un protocole (ci-dessous) pour pouvoir réaliser l'expérience. L'expérience durant laquelle nous avons pu conclure que la taille du métal dépendait de sa chaleur. En effet, car nous avons pu constater que lorsque le métal était chauffé, il était de taille différente (plus grosse) que lorsqu'il était à température ambiante.
Experience sur la dilatation des métaux
Protocole de l'expérience :