Chaque année, plus d'un million d'Américains reçoivent une prothèse artificielle de hanche ou de genou. De tels implants sont conçus pour durer de nombreuses années, mais chez environ 17 % des patients qui reçoivent une arthroplastie totale, l'implant finit par se desserrer et doit être remplacé tôt, ce qui peut entraîner des complications dangereuses pour les patients âgés.

Pour aider à minimiser ces opérations fastidieuses, une équipe d'ingénieurs chimistes du MIT a développé un nouveau revêtement pour implants qui pourrait les aider à mieux adhérer à l'os du patient, prévenir une défaillance prématurée.

"Cela permettrait à l'implant de durer beaucoup plus longtemps, à sa durée de vie naturelle, avec un moindre risque d'échec ou d'infection, " dit Paula Hammond, le professeur David H. Koch en ingénierie au MIT et auteur principal d'un article sur les travaux parus dans la revue Matériaux avancés .

Le revêtement, qui induit les propres cellules du corps à produire de l'os qui fixe l'implant en place, pourrait également être utilisé pour aider à guérir les fractures et à améliorer les implants dentaires, selon Hammond et l'auteur principal Nisarg Shah, un étudiant diplômé du laboratoire de Hammond.

Une alternative au ciment osseux

Les hanches artificielles sont constituées d'une boule de métal sur une tige, reliant le bassin et le fémur. La balle tourne à l'intérieur d'un gobelet en plastique fixé à l'intérieur de l'emboîture de la hanche. De la même manière, les genoux artificiels sont constitués de plaques et d'une tige qui permettent le mouvement du fémur et du tibia. Pour sécuriser l'implant, les chirurgiens utilisent du ciment osseux, un polymère qui ressemble au verre une fois durci. Dans certains cas, ce ciment finit par se fissurer et l'implant se détache de l'os, provoquant des douleurs chroniques et une perte de mobilité pour le patient.

« En règle générale, dans ce cas, l'implant est retiré et remplacé, ce qui provoque une énorme perte de tissu secondaire chez le patient qui ne se serait pas produite si l'implant n'avait pas échoué, », dit Shah. «Notre idée est d'empêcher l'échec en enduisant ces implants de matériaux qui peuvent induire de l'os natif généré dans le corps. Cet os se développe dans l'implant et aide à le fixer en place.

Le nouveau revêtement est constitué d'un film très fin, allant de 100 nanomètres à un micron, composé de couches de matériaux qui aident à favoriser une croissance osseuse rapide. L'un des matériaux, hydroxyapatite, est un composant naturel de l'os, fait de calcium et de phosphate. Ce matériau attire les cellules souches mésenchymateuses de la moelle osseuse et fournit une interface pour la formation d'un nouvel os. L'autre couche libère un facteur de croissance qui stimule la transformation des cellules souches mésenchymateuses en cellules productrices d'os appelées ostéoblastes.

Une fois les ostéoblastes formés, ils commencent à produire de l'os nouveau pour combler les espaces entourant l'implant, le fixant à l'os existant et éliminant le besoin de ciment osseux. Le fait d'avoir des tissus sains dans cet espace crée un lien plus fort et réduit considérablement le risque d'infection bactérienne autour de l'implant.

« Lorsque du ciment osseux est utilisé, un espace mort est créé entre l'os existant et la tige de l'implant, où il n'y a pas de vaisseaux sanguins. Si des bactéries colonisaient cet espace, elles continueraient à proliférer, car le système immunitaire est incapable de les atteindre et de les détruire. Un tel revêtement serait utile pour empêcher que cela se produise, », dit Shah.

Il faut au moins deux à trois semaines pour que l'os se comble et stabilise complètement l'implant, mais un patient serait toujours capable de marcher et de faire de la physiothérapie pendant cette période, selon les chercheurs.

Contrôle réglable

Il y a eu des efforts antérieurs pour enduire les implants orthopédiques d'hydroxyapatite, mais les films finissent par être assez épais et instables, et ont tendance à se détacher de l'implant, dit Shah. D'autres chercheurs ont expérimenté l'injection du facteur de croissance ou son dépôt directement sur l'implant, mais la majeure partie finit par s'écouler hors du site d'implantation, en laisser trop peu pour avoir un effet.

L'équipe du MIT peut contrôler l'épaisseur de son film et la quantité de facteur de croissance libérée en utilisant une méthode appelée assemblage couche par couche, dans lequel les composants souhaités sont déposés une couche à la fois jusqu'à ce que l'épaisseur et la composition de médicament souhaitées soient atteintes.

« Il s'agit d'un avantage significatif car jusqu'à présent, les autres systèmes n'ont pas vraiment été en mesure de contrôler la quantité de facteur de croissance dont vous avez besoin. De nombreux appareils doivent généralement utiliser des quantités qui peuvent être des ordres de grandeur supérieurs à vos besoins, qui peut entraîner des effets secondaires indésirables, », dit Shah.

Les chercheurs effectuent maintenant des études animales qui ont montré des résultats prometteurs :les revêtements conduisent à une formation osseuse rapide, verrouiller les implants en place.

Ce revêtement pourrait être utilisé non seulement pour les remplacements articulaires, mais aussi pour les plaques de fixation et les vis utilisées pour fixer les fractures osseuses. « C'est très polyvalent. Vous pouvez l'appliquer à n'importe quelle géométrie et avoir un revêtement uniforme tout autour, », dit Shah.

Une autre application possible est dans les implants dentaires. Classiquement, implanter une dent artificielle est un processus en deux étapes. D'abord, une vis filetée est noyée dans la mâchoire; cette vis doit se stabiliser en s'intégrant au tissu osseux environnant pendant plusieurs mois avant que le patient ne revienne à la clinique pour faire attacher la nouvelle couronne à la vis. Cela pourrait être réduit à un processus en une seule étape dans lequel le patient reçoit l'ensemble de l'implant en utilisant une version de ces revêtements.

Cette recherche a été financée par le National Institutes of Health’s National Institute on Aging et menée au David H. Koch Institute for Integrative Cancer Research avec le soutien de l’Institute for Soldier Nanotechnologies du MIT.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.