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