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Biomatériaux pour la reconstruction osseuse

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par Mounir El hassouni
Université Sidi Mohamed Ben Abdellah de Fès  - Licence chimie analytique et industrielle 2012
  

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Matériaux naturels 

On distingue selon l'origine et le receveur :

ü les xénogreffes : greffes entre espèces différentes (par exemple : os bovin sur homme) ;

ü les allogreffes : greffes entre individus différents mais appartenant à une même espèce (par exemple : tête fémorale de banque implantée pour une reconstruction) ;

ü les autogreffes où le receveur est son propre donneur.

L'autogreffe reste le meilleur matériau de comblement de pertes de substances osseuses, mais elle nécessite une chirurgie additionnelle avec les risques locaux et généraux que cela comporte, d'autre part, sa quantité est limitée.

L'emploi des allogreffes est maintenant régi par une réglementation sévère. L'origine, le mode de prélèvement, la stérilisation et le mode de conservation sont des paramètres indispensables à connaître. Le prélèvement se fait stérilement sur des patients indemnes de pathologies infectieuses (VIH, hépatite, CMV), les greffons sont ensuite irradiés et conservés congelés. On peut obtenir des greffons massifs de taille et de volume adéquat aux propriétés mécaniques, bien qu'inférieures à l'os frais, suffisantes. Ces greffes, quand elles sont massives ne sont revascularisées qu'en surface, elles subissent une résorption lente et leur réhabitation osseuse est incertaine. Elles doivent nécessairement être ostéosynthésées de façon stable ; l'association avec une autogreffe peut favoriser une fusion avec l'os receveur.

Corail 

C'est une céramique naturelle poreuse issue du squelette corallien Porites. Il est constitué essentiellement de carbonate de calcium sous forme de cristaux d'aragonite (carbonate de calcium > 97 %, oligoéléments 0,5 à 1 %, acides aminés 0,07 %, eau < 0,5 %). L'architecture corallienne permet une pénétration osseuse car elle est poreuse ; la porosité ouverte et la taille des pores (150 ìm en moyenne) favorisent la pénétration cellulaire et l'établissement d'une néovascularisation).

Son implantation en tissu mou chez l'animal est bien tolérée, elle provoque une colonisation par un tissu conjonctivovasculaire puis une résorption très progressive entre 2 et 12 mois. Dans l'os, et sous certaines conditions ce tissu conjonctivovasculaire se différencie en tissu osseux et on assiste simultanément à une résorption très progressive du corail (par l'anhydrase carbonique contenue dans les ostéoclastes). Les contraintes locales régissent le remodelage osseux. En cas de fragmentation, on assiste à des réactions puriformes aseptiques.

Les propriétés mécaniques sont fonction de la porosité. A porosité égale, le corail a une contrainte à la rupture équivalente à celle de l'os cortical, mais son module d'Young est plus élevé : il a un comportement fragile. Son comportement mécanique est acceptable à condition de protéger l'implantation par une ostéosynthèse stable pendant une durée minimale de 1 an. En pratique, il est utilisé comme comblement osseux dans les arthrodèses vertébrales (antérieures et postérieures), dans les ostéotomies d'addition, et en traumatologie dans les comblements osseux après fracture du calcanéum ou des plateaux tibiaux.

Collagène 

Le collagène est une protéine naturelle présente dans les tissus de soutien (peau, os, vaisseaux...). Il est constitué de la répétition d'unités de base, le tropocollagène, polypeptide constitué de trois chaînes formant un triple hélice, et du télopeptide, court fragment non hélicoïdal. De nombreux types de collagènes ont été décrits chez les mammifères dépendant du taux d'hydroxylation, du taux de glycosilation, du nombre de liaisons interchaînes et de la composition du télopeptide.

Le type I : présent dans les os et tendons, il comprend deux chaînes á et deux chaînes â ; il n'y a que 5 % de télopeptide.

Le type II : présent dans le cartilage hyalin, il comprend trois chaînes á identiques, associées aux glycoaminoglycanes ; il confère au cartilage hyalin ses propriétés spécifiques.

Sans parler des auto-, des allo- ou des xénogreffes tendineuses qui sont en fait un apport collagénique spécialisé, en chirurgie orthopédique, le collagène pur natif n'est utilisé qu'au stade de recherche. Il a été utilisé dans le comblement de lacunes osseuses, dans la réparation de surfaces articulaires, comme renfort ligamentaire et comme agent hémostatique.

Les techniques de greffes osseuses

Sont maintenant couramment mises en oeuvre par les praticiens tant en chirurgie orale qu'orthopédique. L'objectif général est de promouvoir une régénération osseuse. Sans remettre en cause l'efficacité incontestable des autogreffes, cette technique présente des inconvénients majeurs comme les douleurs résiduelles, la morbidité, les complications diverses. Il faut de plus considérer que les quantités disponibles sur le site donneur sont limitées et parfois de qualité insuffisante pour une application chirurgicale spécifique. Les progrès de la chimie et du génie des procédés, des biotechnologies, ont permis de proposer une alternative à l'utilisation des greffes osseuses naturelles. De très nombreuses céramiques en phosphate de calcium, destinées à remplacer les allogreffes, les autogreffes, et les xénogreffes, sont mises à disposition des chirurgiens depuis plusieurs années. Si l'efficacité de ces céramiques est de plus en plus démontrée par les résultats cliniques qui sont présentés par des équipes chirurgicales dans le monde entier, il existe pourtant des différences importantes dans la cinétique de résorption et de reconstruction osseuse aux dépens du substitut osseux. Si ces différences de performance et d'efficacité peuvent être liées au site opératoire, au patient, à la technique chirurgicale, elles sont cependant essentiellement liées aux caractéristiques chimiques (hydroxyapatite HA, phosphate tricalcique TCP, biphasé mélange HA/TCP) et structurales (micropores, macropores, surface spécifique des cristaux constitutifs de la céramique). Depuis les trois dernières décennies, de nombreuses d'études précliniques et cliniques décrivent l'incidence de ces caractéristiques sur la cinétique de résorption du substitut osseux et de la reconstruction osseuse aux dépens du biomatériau (quantité et architecture osseuse), et pourtant le chirurgien utilisateur n'est pas suffisamment informé ou conscient de ces différences fondamentales entre les diverses fabrications de biocéramiques en phosphate de calcium misent à leur disposition, qui conditionnent la réussite opératoire. Seule la maîtrise des procédés de fabrication, la maîtrise des propriétés structurales et pas seulement la nature chimique, garantie une reproductibilité des résultats biologiques, et répondre aux besoins chirurgicaux qui sont :

L'efficacité : biocompatibilité, pas de réaction à corps étranger, remplacer les greffes osseuses ;

La performance : résorption et substitution osseuse, pour être plus efficace que les allogreffes morcelées et aussi, sinon plus efficace (grâce à l'ingénierie tissulaire) que l'autogreffe.

Figure 2 : Différentes formes disponibles de substitut osseux de synthèse.

L'autogreffe est le « gold standard » de la reconstruction osseuse. Elle est la seule capable de fournir des facteurs de croissance ostéo-inducteurs, des cellules ostéogéniques et un « échafaudage » ostéoconducteur. La morbidité du site donneur est sa principale limite. Le risque de transmission de maladie du donneur restreint le recours à l'allogreffe. Les substituts synthétiques manquent de propriétés ostéo-inductrices ou ostéogéniques. Les substituts osseux composites combinent les propriétés d'« échafaudage » avec des éléments biologiques pour stimuler la prolifération et la différenciation cellulaire et éventuellement, l'ostéogenèse. Nous donnons un aperçu des greffons et substituts osseux disponibles pour des applications cliniques.

La mise au point de nouveaux tissus exige une approche qui associe la biologie du développement, la biologie cellulaire et moléculaire à la médecine clinique, à la biochimie, à l'immunologie, à l'ingénierie, et aux sciences des matériaux. Tandis que de nombreux chercheurs essaient de reproduire des structures endogènes pour créer de nouveaux tissus, de nombreuses barrières doivent être surmontées pour créer des tissus complexes, vascularisés, spécifiques du patient pour une utilisation de remplacement et de réparation. Bien que la mise au point de tissus à composants multiples exige la mise en oeuvre de nombreuses idées, dans un souci de clarté nous limiterons cette revue aux développements récents de l'application des structures biorésorbables naturelles et synthétiques. Ici, nous mettons en valeur des biomatériaux potentiellement utiles aux chirurgiens plasticiens qui sont actuellement utilisés ou ont été développés pour être utilisés pour des remplacements et des réparations de la peau et des os.

L'ingénierie tissulaire, au carrefour des sciences du vivant et des sciences de l'ingénieur, a pour but de remplacer, maintenir ou améliorer la fonction de tissus humains, grâce à des substituts tissulaires incluant des éléments vivants. Il s'agit donc d'élaborer des tissus artificiels, en utilisant (isolément ou en association) des cellules, des matrices et des facteurs bioactifs. Leur association est un biomatériau hybride qui réunit des composés biologiques (cellules, facteurs de croissance, ou protéines d'adhésion) et des matériaux (polymères, céramiques). Les applications sont larges, intéressant aussi bien la peau que le foie ou la cornée, mais également l'appareil locomoteur. Dans ce cadre c'est l'ingénierie du tissu osseux qui est la plus développée, en partie grâce à l'avancée des substituts osseux, mais le cartilage ou les tendons sont également concernés. Cette technologie fait appel aux cultures de cellules (cellules différenciées, ou plus souvent cellules souches de la moelle osseuse), à des biomatériaux (matériaux poreux à architecture contrôlée, mais également ciments), à des facteurs de croissance (comme les bone morphogenetic proteins), aux protéines intervenant dans l'adhésion cellulaire (telles que la fibronectine, ou les séquences reconnues par les sous unités d'intégrine), ou à la thérapie génique (notamment en utilisant des cellules-souches transfectées). L'ingénierie tissulaire et la stimulation de la régénération tissulaire sont en plein essor sur le plan expérimental et industriel, et les applications cliniques sont de plus en plus nombreuses. Elles devraient se développer très largement compte tenu du potentiel de ces technologies.

Figure 1 : Biomatériau injectable associant le principal constituant minéral de l'os : hydroxyapatite (granules noirs) et le principal composé organique : collagène (astérisques).

Figure X : Biomatériau hybride : cellules stromales ostéoprogénitrices (flèche) au sein d'une architecture poreuse en hydroxyapatite (faciès de rupture).

Figure X : Ostéo-induction : formation de tissu osseux (têtes de flèches) au sein d'un biomatériau hybride, après un mois d'implantation en site intramusculaire (microscopie optique, May-Grünwald-Giemsa ; barre : 140 ìm).

Les biomatériaux sont considérés comme des dispositifs médicaux implantables. L'utilisation des matériaux de reconstruction et de substitution osseuse est sécurisée en Europe par la procédure du marquage CE et par la matériovigilance, indépendante de la certification imposée aux États-Unis par la Food and Drug Adminstration. Les indications sont souvent concurrentielles avec les autogreffes, avec l'avantage de limiter la morbidité liée au prélèvement autologue. Les bénéfices recherchés peuvent être fonctionnels, esthétiques ou mixtes. Les principales indications conventionnelles sont présentées : otologiques, rhinosinusiennes, traumatologie, laryngologie, rajeunissement facial, implants et épithèses. Les principaux axes de recherche (renforcement des propriétés thérapeutiques, matériaux vecteurs de principe actif, ingénierie tissulaire...) sont discutés.

Figure X : A. Patient opéré d'un adénocarcinome de l'ethmoïde gauche multirécidivé, ayant nécessité une exérèse de la base du crâne et une exentération. Quatre implants en titane vissés ont été mis en place pour permettre l'accrochage de l'épithèse. B. Aspect de l'épithèse en place.

Figure X : Chirurgie de rehaussement du plancher du sinus maxillaire (clichés du Dr Afchine Saffarzadeh, unité d'implantologie du pôle odontologie du CHU de Nantes). L'intervention est effectuée afin de rétablir une hauteur osseuse maxillaire suffisante pour permettre la mise en place différée d'un implant dentaire en regard de la cavité sinusienne. A. Aspect peropératoire avant la mise en place du substitut osseux de MBCP. B. Aspect en fin d'intervention, après comblement du plancher sinusien maxillaire par le BCP mélangé avec de la colle biologique

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