APPLICATIONS DU TITANE
DANS LA CHIRURGIE
ORTHOPÉDIQUE ET
TRAUMATOLOGIE
JOURNÉES TECHNOLOGIQUES DU
TITANE
VINCENT CRENN
CHU NANTES
29/09/2021
PLAN
Définitions
Différents Biomatériaux en Orthopédie
Applications du Titane
Traumatologie
Chirurgie Prothétique
Chirurgie Oncologique
Problématiques
PSO
Stress Shielding
Osteointégration
Infection
Conclusion
ORTHOPÉDIE ET
TRAUMATOLOGIE
Discipline chirurgicale traitement appareil musculo-squelettique
• En condition réglée : Prothèse (hanche, genou…), Arthroscopie,
Tumeurs, neuro-orthopédie… Chirurgie « Propre »
• En traumatologie : aigu, AVP, Sport, travail, avec Fractures…
DÉFINTITION
BIOMATÉRIAU
Matériau combinaison de matériau (autre qu’un médicament)
D’origine synthétique ou naturelle
De durée de vie variable
Qui augmente, remplace, stabilise un organe ou une fonction
physiologique
“il s'agit de tout matériau non vivant utilisé dans un dispositif médical et
visant à remplacer ou traiter un tissu, organe ou une fonction avec une
durée de contact supérieure à trois semaines.”
Conférence de Chester, 1986
BIOMATÉRIAU ET
ORTHOPÉDIE
ESSENTIELS EN ORTHOPÉDIE
Progrès de l’orthopédie est lien en étroit avec l’évolution de ces
biomatériaux
BIOMATÉRIAUX EN
ORTHOPÉDIE
• Métal et alliages métalliques
• Céramiques
• Adhésifs
• Matériaux et composites carbonés, polymères
CAHIER DES CHARGES
DE L’IMPLANT IDÉAL
• Chimiquement inerte et non toxique
• Résistance mécanique +++, à la fatigue, à
l’usure, à la corrosion
• Elasticité
• Peu coûteux
MODULE DE YOUNG
Rapport contrainte déformation
Déformation réversible en zone élastique
Irréversible en zone plastique
MODULE
D’ELASTICITÉ DE L’OS
Niinomi M. Mechanical biocompatibilities of titanium alloys for biomedical
applications. J Mech Behav Biomed Mater. 2008;1:30-42.
PROPRIÉTÉS
MÉCANIQUES DE L’OS
L’os est anisotropique : propriétés mécaniques varient selon la
direction des forces. Contraintes en cisaillement, traction, et
compression.
Os visco-elastique : les propriétés de deformation et de
contraintes varient selon la force
Les propriétés mécaniques de l’os varient en fonction de l'âge
Loi de Wolf :
L’os se remodèle au niveau
des zones de contraintes
IMPLANTS À DISPOSITION
EN ORTHOPÉDIE
Les alliages de métaux:
• acier inoxydable
• Alliages cobalt-chrome
• Alliages de titane
Non-métaux :
• Céramiques & Verres Bioactifs
• Polymères (ciment osseux, polyéthylène)
ACIER INOXYDABLE
• Avantages :
– Biocompatible
– Relativement bon marché
– Corrosion raisonnable
– Propriétés mécaniques de
résistance
• Désavantages :
– Mauvaise résistance à l'usure
– Nickel - allergie
– Module de Young élevé – 200
G Pas (5-10x celui de OS)
– Risque de stress Shielding
Instruments chirurgicaux
Prothèse, dispositifs d’ostéosynthèse
Diminution d’utilisation
316L (3% molybdène, 16% nickel & L = bas carbone teneur)
ALLIAGES CR-CO
Avantages :
• Résistance à la corrosion
• Excellente biocompatibilité à
long terme
• Résistance à l’usure
Désavantages :
– Module de Young élevé
– Cher
– Relargage Cr-Co
– Risque de stress Shielding
Couples de frottement
PTH
Cobalt (30-60%) • Chrome (20-30 %) ajouté pour
améliorer la corrosion la résistance
Quantités mineures de carbone, nickel et molybdène
ajouté (ASTM F75 Vitallium)
ALLIAGES DE TITANE
• Avantages :
• Résistant à la corrosion
• Excellente biocompatibilité
• Résistant à la fatigue
• Module de Young faible
(diminution du stress shielding)
• IRM compatible
• Ostéointégration
• Désavantages :
– mauvaises caractéristiques
d'usure
– Toxicité systémique – Al, V?
– Relativement cher
Depuis années 1960
CP-Ti (propriétés mécaniques moindres)
Ti 64 (Ti-6Al-4v) +++
Autres alliages en développement β-Ti
CATÉGORIES D’IMPLANT
EN ORTHOPÉDIE
• Ostéosynthèse
• Remplacements articulaires : prothèses
• Implants tumoraux modulaires non conventionnels
• Implants rachidiens
OSTÉOSYNTHÈSE
Prise en charge des traumatismes/Fractures
Très grand éventail de matériaux
• Fixateur externe
• Plaque/visserie
• Enclouage
• Broches
Choix du titane, module de Young,
• Meilleure flexibilité, meilleure consolidation
Résistant à la fatigue
DISPOSITIFS
D’OSTÉOSYNTHÈSE
Au membre inférieur
• Contraintes en Compression
• Enclouage, chirurgie à foyer fermé
• Au membre supérieur
– Contraintes en Rotation
• Plaque et abord à foyer ouvert
DISPOSITIFS
D’OSTÉOSYNTHÈSE
L’ABLATION DU
MATÉRIEL….
Blocage des vis verrouillées +++
Croissance osseuse pas de vis
abîmés
Empreintes de vis abimées / Bris de
vis
Iwata, Takahiro, Satoshi Nozawa, Masato Maeda and Haruhiko Akiyama.
“New Technique for Removal of Screws With Damaged
Heads.” Orthopedics 40 5 (2017): e911-e914 .
CHIRURGIE
PROTHÉTIQUE
Pour toutes les articulations, contexte dégénératif
En terme de fréquence, Hanche, Genou, épaule ++++
Mais aussi : cheville, coude, doigts…
Appuis et cahier des charges variable selon stock osseux et
enveloppe ligamentaire/musculo-tendineuse
Couple de frottement variables (Polyethylène, Céramique,
Metal/metal)
Chirurgie de révision, car durée de vie limité
PROTHÈSES DE
HANCHE
Tige avenir
Coating HAP
Ti-6Al-4v
PROTHÈSES DE
GENOU
CHIRURGIE
ONCOLOGIQUE OSSEUSE
LIMB-SALVAGE SURGERY
Defects osseux majeurs
L’apports des thérapeutiques adjuvantes
Progrès chirurgicaux (conservation structures nobles neuro-
vasculaires).
Implants de taille critique
PROTHÈSE
INTERCALAIRE
Résection diaphysaire
• Implantcast, tiges scellées
et interface en HAP
PROTHÈSE MASSIVE
Prothèse modulaire
METS Stanmore/Stryker
FÉMUR PROXIMAL
PSO MAJEURES
TITANE POREUX
40 % de porosité
300 à 500μm de taille de pores
Réhabitation, colonisation
osseuse
ostéoconduction
TITANE POREUX
Implant custom
(Sur mesure)
3D printed
Guide de coupe sur mesure associées
Stabilisation complémentaire
Coating (HAP…)
GUIDE DE COUPE SUR
MESURE : PSI
Résection
Reconstruction sur
mesure
Reconstruction sur
mesure
Gouin et Al. 2014 Sarcoma
TITANE POREUX
CUSTOM PROSTHESIS
STRESS SHIELDING
Stress Shielding sur Prothèse totale
de Hanche (PTH)
La rigidité trop forte de la tige
fémorale
Résorption osseuse proximale
Epaississement cortical distal
Les tiges de faible rigidité peuvent
limiter ce phénomène
STRESS SHIELDING
Go Yamako, Dennis Janssen, Shuji Hanada, Thomas Anijs, Kiyohide Ochiai, Koji Totoribe, Etsuo
Chosa, Nico Verdonschot,
Improving stress shielding following total hip arthroplasty by using a femoral stem made of β type Ti-
33.6Nb-4Sn with a Young’s modulus gradation,
Journal of Biomechanics,
Volume 63,
2017,
Traitement thermique
β-type Ti-33.6Nb-4Sn alloy
Analyse en FEA
Connexion structurelle et
fonctionnelle directe entre
l'os vivant et la surface
d'un implant artificiel
PROBLÉMATIQUE DE
L’OSTÉOINTÉGRATION
Sujet jeune, stabilité en deux temps
• Physique :
Augmenter la rugosité : anodisation,
grenaillage… Poreux
• Revêtement :
Pulvérisation au plasma : Phosphate de
calcium : TCP, HAP, (biologique)
PROBLÉMATIQUE DE
L’OSTÉOINTÉGRATION
Geesink RG. Osteoconductive coatings for total joint arthroplasty. Clin Orthop Relat Res.
2002:53-65.
Sujet agé :
Tenue primaire d’emblée
• Cimentation : PMMA
PROBLÉMATIQUE DE
L’OSTÉOINTÉGRATION
PROBLÉMATIQUE DE
L’OSTÉOINTÉGRATION
• Descellement aseptique : Débris PE,
titane,(réaction macrophagique et Ostéolyse par
stimulation ostéoclastique)
Nebe JB, Muller L, Luthen F, Ewald A, Bergemann C, Conforto E, et al. Osteoblast response to biomimetically altered
titanium surfaces. Acta Biomater. 2008;4:1985-95.
COMPLICATIONS
INFECTIEUSES
Supériorité du Titane sur l’acier Inox?
Technologie antimicrobienne
• Cimentation ATB
• Revêtement Argent
• Imprégnation ATB
Tanner, M.C., Fischer, C., Schmidmaier, G. et al. Evidence-based uncertainty: do implant-related properties of titanium reduce the
susceptibility to perioperative infections in clinical fracture management? A systematic review. Infection 49, 813–821 (2021).
Noreen J. Hickok, Irving M. Shapiro, Immobilized antibiotics to prevent orthopaedic implant
infections, Advanced Drug Delivery Reviews,
Volume 64, Issue 12, 2012,
CONCLUSION
Challenges à relever :
Module de Young s’approchant de l’os
Ostéointégration,
Gestion de l’infection
PSO majeure
Titane est le matériau de choix ++++
Place de plus en plus importante en Orthopédie
MERCI DE VOTRE
ATTENTION
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