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CHIMIE PARIS – NO 338-339 – Décembre 2012
Dossier
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Le développement denouvelles prothèses est un enjeu desanté
important pour améliorer la vie deshandicapés et leur permettre la
pratiqued’un plus grand nombre d’activités.L'utilisation de
nouveaux matériaux issusde la chimie a contribué à l'apparition
deprothèses très performantes. On y trouve,soit des matériaux
classiques comme leplâtre, les plastiques ou les métaux, soitdes
composites résines-fibres de carbone.
DéfinitionProthèse vient du grec πρό (devant,...) etτίθηµι (je
pose), désigne un appareilinterne ou externe qui succède soit à
unmembre, soit à une partie d'un membre oud'un organe du corps pour
remplacer la oules fonction(s) compromise(s). Celles-cisont, dans
la mesure du possible, rétablies,en totalité ou partiellement,
ainsi que leursformes qui seront adaptées pour s'allierparfaitement
avec l’organisme. La prothèsea pour but de redonner une autonomie à
lapersonne, soulager sa douleur, la réinsérerà son domicile et dans
sa vie sociale.La mobilité est un besoin essentiel, quetout le
monde éprouve. Les amputés dejambe veulent aussi participer
activementà la vie. Ils le peuvent grâce à des pro-thèses
appropriées. En équilibre : un soinprothétique de qualité assure
une démarcheéquilibrée et fluide, en exerçant un effetamortissant
pour une allure plus légère.La pratique de sports (course, tennis,
bas-ket...) est un acquis récent qui a permisd’élargir la gamme des
possibilités physiquesmais aussi de redonner aux
handicapésmotivation, goût de l’effort, de la perform-ance et de la
compétition.
Des jambes biomécaniquesencore perfectibles Dans une prothèse de
jambe , le « squelette »des jambes reproduit les trois
articulations
des membres inférieurs – hanches, genouxet chevilles – et les
muscles sont, quant àeux, simulés par des sangles qui montentet
descendent. Mais tous les mouvementssont déterminés et coordonnés
par uneréplique électronique d'une partie du sys-tème nerveux
humain, qui dicte le rythmedes signaux musculaires après avoir
collectéles informations fournies par différentesparties du corps
sur son environnement.Raison pour laquelle nous parvenons àmarcher
sans y penser. « Lorsque nous avons combiné tous ces élé-ments, le
mouvement qui en a résulté étaittrès semblable à celui d'un être
humain,particulièrement la hanche et le genou ».
Histoire des prothèsesLes premières prothèses remonteraient àla
préhistoire, au temps où les hommesont commencé à tenir sur leurs
deuxpieds ; une fois debout ils ne cherchaientqu'une chose, y
rester. L'instinct de survieétait primordial ; il leur a donc fallu
trou-ver de quoi remplacer leurs membresamputés ou
estropiés.D'après des chercheurs allemands, lesÉgyptiens étaient
capables d'amputer etde concevoir des prothèses. Ils appuientleur
théorie sur une momie d'une femmemorte il y a environ 3 000 ans.
Elle futamputée de son orteil droit qui fut rem-placé par une
prothèse en bois sculptécomposée de trois parties. Elle est
main-tenue par une gaine en cuir cousu et dutextile. Les traces
d'usure montrent qu'ellea servi et les chercheurs pensent
qu'ellepermettait un assez bon mouvement.Pendant l'Antiquité, les
Grecs et lesRomains fabriquaient aussi des prothèses.Les traces en
sont plus nombreuses, grâce
aux artistes qui écrivaient des poèmes,des récits... Tel
Hérodote, grand historiengrec, avec l'histoire d’Élée dans
Calliopequi, pour échapper aux Spartes, s'am-puta la jambe et se
fit une jambe de bois.Au Moyen-Âge, les prothèses n'ont qu'unbut
fonctionnel comme les pilons et les cro-chets. À la Renaissance, de
nombreux chirurgiensont recours aux prothèses pour assister
leurspatients et élaborent de nouveaux disposi-tifs qui seront
utilisés jusqu'au XXe siècle. Au XVIe siècle, le chirurgien
françaisAmbroise Paré (1510-1590) invente denombreuses techniques
d'amputation etde cautérisation au fer chaud. C'est aussile
créateur des armatures métalliques, despilons articulés et des
cuissards à pilons.Les guerres, à cause du nombre impres-sionnant
d'amputés et de démembrésmais aussi de brûlés et de mutilés,
ontpermis l'essor des technologies prothé-tiques et des entreprises
qui les conçoivent.La Guerre de Sécession (1861-1865), quicompta
environ 30 000 amputés, vit lanaissance de centaines d'entreprises
spé-cialisées soutenues par un gouvernementqui appareillait ses
vétérans.Par la suite, les deux Grandes Guerresvont permettre un
nouvel essor de l'in-dustrie prothétique, notamment grâce àla
mobilisation de nombreux vétérans deguerre et à l'aide financière
du gouverne-ment américain.Aujourd'hui, la science prothétique a
con-sidérablement évolué. On assiste à uneréelle révolution des
prothèses et desméthodes d'appareillage. Les prothèsesse
modernisent, sont de plus en pluslégères, de plus en plus
résistantes, deplus en plus « humanisantes » c'est-à-dire
Les nouvelles prothèses
La chimie, les nouveaux matériaux, l’électronique, les biopuces
ontpermis la mise au point de nouvelles prothèses dont on a pu
voirles performances étonnantes lors des derniers jeux
paralympiques.
Serge LÉCOLIER promo 58
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Dossierqu'on ne distinguera plus à l'avenir unmembre organique
d'une prothèse. Lascience prothétique prend de plus en plusplace
dans l'esthétisme (chirurgie esthé-tique, instituts de beauté,
etc.), dans lesport (handisports) et même dans levétérinaire
(prothèse animalière). Lesentreprises prothétiques se comptent
parmilliers dans le monde, même si les pro-thèses sont encore
majoritairement faitesà la main.
Prothèses sportivesLes athlètes appareillés peuvent
participeraux Jeux Handisports Paralympiques crééset organisés par
le Comité Olympique.Plus de vingt disciplines sont à leur
dispo-sition comme l'athlétisme, l'haltérophilie,la natation mais
aussi les arts martiaux, lecyclisme et le rugby. Leurs
appareillages sont plus légers etplus résistants que des prothèses
clas-siques en utilisant en particulier le titane(résistant et
élastique) et le carbone (légeret résistant) ainsi que d’autres
métauxpour l'assemblage.Certaines possèdent des composantsapportant
propriétés et caractéristiquesmécaniques : ressorts, engrenages,
alimen-tation électrique.Parmi les prothèses mécaniques ontrouve
les « X fingers » dépourvus de toutsystème électrique ; ils
permettent deretrouver une mobilité fonctionnelle etdes actions de
saisie. Le système est à lafois ingénieux et simple, le
mécanismeutilise les restes amputés des doigts ouun autre doigt
dans le cas contraire et, àl'aide de combinaisons de ressorts et
detenseurs, il reproduit les articulations d'undoigt organique. La
reproduction est siparfaite qu'un patient portant ces
doigtsartificiels peut saisir une pièce, porter unecharge ou même
jouer du piano.
L’intelligence intégrée dans la prothèse est conçue pour aider
lesmouvements de son propriétaire.La prothèse baptisée « Power Knee
», estcapable d’apprendre la façon de marcher deson utilisateur.
Elle va ensuite bouger lorsqu’ilmarche, ou qu’il monte des
escaliers, de lamême façon que la « vraie» jambe. La pro-thèse
contient des capteurs, des moteurset un calculateur intégré qui, en
fonctiondu sol sur lequel est posé le pied, vontcorriger la
posture, et aider le mouvementen bougeant de façon active. En plus
desmembres de remplacement pour les per-sonnes amputées, on vise
aussi à créer desmembres « améliorés », qui augmentent la
puissance des mouvements.Samedi 4 août 2012, lors des J.O.
deLondres, le coureur jamaïcain Usain Boltdébute les séries du 100
m, mais la star dujour n'est pas le sprinteur jamaïcain. Lesregards
sont tournés vers Oscar Pistorius.Le Sud-Africain, équipé de ses
prothèsesde jambes en carbone, est devenu le pre-mier athlète
handicapé à participer auxépreuves d'athlétisme aux Jeux
olympiques.Mais pour atteindre ce sommet sportif, lecoureur de 400
m a surmonté des obstaclesdevant lesquels beaucoup auraient
baissé
les bras. Dernier en date : on voulait lecontraindre à partir en
première positionlors du relais 4 x 400 m pour des raisonsde
sécurité.
Depuis quelques années déjà, les perfor -mances d'Oscar
Pistorius défraient régulière-ment la chronique sportive, les
responsablesde la fédération internationale d'athlétismeestimant
que ses jambes artificielles lui pro-cureraient un avantage majeur
sur ses con-currents ! Amputé des jambes au niveaudes tibias dès
son plus jeune âge à caused'une malformation, le sportif utilise
desprothèses en fibres de carbone. Pour autant,ces prothèses n'ont
pas été développéesspécialement pour lui. Elles sont
commer-cialisées par la société islandaise Ossur, spé-cialiste des
membres artificiels.Cette prothèse est un ensemble d'élé-ments. Il
y a d'abord le manchon, qui estroulé sur le moignon. Il est
constitué desilicone, un matériau doux, étirable, quiagit comme une
interface entre l'emboî-ture qui supporte le poids du corps et la
peau.Le manchon assure la suspension de la pro-thèse. Il s'insère
dans l'emboîture qui est réa -lisée sur mesure dans des matériaux
variés.
Dans les prothèses sous le genou (transti -biales), l'emboîture
est fixée directement aupied en carbone, ou via un tube, suivant
lataille et la longueur de la jambe de la per-sonne amputée. Le
pied est disponible enneuf catégories, correspondant à la limite
depoids qu'il peut supporter (jusqu'à 147 kg),pour des hauteurs
entre 254 et 457 mm.
Des prothèses guidées par lapensée Depuis des années, la
recherche enbiotechnologie travaille ardemment pourmettre au point
des prothèses légères etsurtout capables de répondre aux
besoinsquotidiens des personnes amputées à lasuite d' accidents.
Fini le temps des jambesde bois et des bras en cire inerte.
Plusieursentreprises ont réussi à mettre au pointdes prothèses de
dernière génération. Lesmatériaux utilisés sont extrêmement
légers,résistants et très maniables grâce à la miseen place d'un
système hydraulique auniveau des articulations. Mais la
révolutionbionique est dans la réalisation de nom-breux mouvements
commandés par… lecerveau.
Un bras qui obéitLors d'une conférence de presse àWashington en
2006, Claudia Mitchell,totalement amputée du bras gauche à lasuite
d'un accident de moto, a pu mon-trer qu'avec sa nouvelle prothèse,
ellepouvait saisir une tasse et la porter à sabouche ou encore
tourner les pages d'un
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Dossierlivre… Tous ses gestes familiers, elle peut lescommander
comme son ancien membredisparu : par la pensée. Comment l'ensem-ble
fonctionne-il ?Les moteurs électriques de la prothèse sontcommandés
par des signaux myo-élec-triques envoyés par le cerveau aux
musclesrestant au-dessus du membre amputé. Lesterminaisons
nerveuses coupées qui inner-vaient le bras ont été dérivées vers le
thoraxet rattachées aux muscles. À cet endroit, lesscientifiques
apposent tout un méca -nisme de capteurs (électrodes) qui
vontenregistrer les influx nerveux émis par lecortex moteur (centre
de la motricité denotre cerveau) vers ces terminaisons desnerfs du
bras disparu. Mais comment le membre artificiel fait-ilpour
distinguer le type d'informationsouhaitée par le cerveau ? Comment
va-t-il savoir qu'il faut tourner le poignet,contracter tel
muscle... ? La réponse estdans la puce. Elle est capable
d'analyserune centaine de signaux électriques et decommander
vingt-deux mouvements pos-sibles de la prothèse.La prochaine
avancée est de permettreaux personnes amputées de percevoir
ànouveau des sensations : la température,la pression… Les
scientifiques ont consti-tué un réseau de fibres nerveuses
capa-bles, à la fois d'envoyer les informationsnerveuses du cerveau
à la prothèse, etd'acheminer des signaux sensitifs de la pro-thèse
au cerveau. La personne amputéeéprouvera de nouveau des
sensations.
« Lève-toi et marche »Le cerveau est l'organe de notre corps
leplus complexe mais aussi le plus fascinantpar sa plasticité, son
aptitude à tout commander dans notre organisme. Leschercheurs
travaillent à sa compréhensionafin d'aider les personnes
lourdementhandicapées et, qui sait, de leur permettreun jour de
remarcher. Cette célèbrephrase tirée de la Bible est le nom donnéà
un programme européen lancé en 2000et dirigé par le professeur
PierreRabischong, chercheur à l'INSERM deMontpellier. L'objectif de
ce projet est demettre au point un mécanisme tech-nologique pour
aider les paralysés àretrouver une certaine motricité.Tout part
d'un constat simple : lors d'unelésion de la moelle épinière, tous
les nerfset les muscles situés en dessous de cettelésion sont
totalement déconnectés ducerveau ; d'où une paralysie des
membrescar les influx nerveux cérébraux ne leurparviennent plus. Un
seul moyen pour y
remédier : incorporer une sorte de « deuxièmecerveau » sous la
lésion. Comment ? Enplaçant une biopuce qui va stimuler lesnerfs
par des impulsions électriques : c'estl'électrostimulation.
Une puce en guise de cerveauUn paraplégique s'est prêté à une
expé -rience en mars 2000. Les chirurgiens luiont implanté dans
l'abdomen une biopuceenfermée dans un cylindre en céramique(léger
et résistant). Ce micro-circuit est reliéaux nerfs et aux muscles
locomoteurs viades électrodes reliées à des câbles en
acierrecouverts de Téflon (fonction isolante). Lapuce envoie des
stimulations électriquesaux nerfs et aux muscles agonistes
etantagonistes (ce sont les muscles complé-mentaires d'un membre :
l'un se con-tracte pendant que l'autre se relâche. Unboîtier
extérieur commande le stimula-teur par des ondes radio. Le 17 mars
2000, ce paraplégique a pu fairequelques pas, soutenu par des
béquilles,pour la première fois depuis dix ans. Unvéritable message
d'espoir pour tous leshandicapés.
BiocompatibilitéPour améliorer l’acceptation par le corpsdes
ligaments artificiels on les habille d’un« camouflage biologique ».
On greffe surle ligament des polymères bioactifs, c’est-à-dire qui
possèdent des motifs chimiquesque l’on retrouve dans
l’environnementdes cellules. Décoré de ces motifs, le liga-ment
artificiel ne suscite plus l’ire ducorps. Testé avec succès chez
cinquantesix brebis, il est en cours de certificationchez
l’homme.
Des vaisseaux sanguins artificiels Si la biocompatibilité
chimique est uncritère important d’acceptation de la pro-thèse par
le corps, attention égalementau comportement mécanique du
greffonartificiel qui peut mener à son rejet. Parexemple, la
rigidité est un paramètre clépour les vaisseaux sanguins
artificiels.Ceux-ci sont implantés chez des patients,diabétiques
notamment, dont l’irrigationsanguine des membres est si
gravementperturbée qu’elle peut mener à l’amputa-tion. Le problème
est qu’après l’implan-tation l’organisme perçoit rapidement
larigidité anormale de ces vaisseaux syn-thétiques et obstrue par
coagulation lesimplants les plus étroits. Pour y remédier,des
scientifiques ont eu recours aux pre-miers petits vaisseaux
synthétiques qui
passent le cap de l’implantation. On utilise des polymères
naturels issus decultures de bactéries et de champignonsmis en
forme par chimie de réticulation.Cette dernière consiste à souder
lespolymères entre eux pour leur conférerles propriétés voulues. Le
résultat al’aspect d’un banal tube, mais qui secomporte
mécaniquement comme unvaisseau naturel, en particulier lors
dessoubresauts dus aux contractions car-diaques. Autre avantage,
les polymèressont naturellement dégradables : lorsd’expériences
faites chez le rat, un nou-veau vaisseau a remplacé l’implant
enquelques mois. Des expériences supplé-mentaires vont à présent
devoir être con-duites chez l’homme pour s’assurer sur lelong terme
du succès complet de laméthode.
Fabrication des prothèses orthopédiques. Les prothèses sont
fabriquées avec dif-férentes sortes de plastiques tel
lepolypropylène, le Téflon et les polyesters,ainsi que des alliages
à base de chrome etde cobalt. La résine assure les liaisons
entreles fibres de renforcement . Une liaisonchimique unit la
résine à une fibre poursupporter le stratifié, afin qu’il
deviennerigide. Cela forme un plastique renforcé.Dans le cas d’une
prothèse, la résine se lieavec le tissu et celui-ci devient plus
dur.Une bonne résine doit empêcher les fibresde se déplacer pour ne
pas déformer la pro-thèse. Si la résine n’est pas assez
adhérente,les fibres du tissu vont se déplacer et unpetit nombre
d’entre elles vont supporterla charge. La résine doit donc
permettreaux charges d’être équilibrées tout en lesgardant en place
pour ne pas briser laprothèse. La résine sert aussi à amortir
leschocs pour qu’il y ait moins de vibrations,afin de protéger la
pièce. En plus, à causede l’étanchéité causée par celle-ci, il y
aune protection contre l’humidité. Celapeut permettre à une
prothèse d’aller àl’eau. Un exemple de résine fréquem-ment utilisée
pour fabriquer des pro-thèses est constitué par les polyesters.Pour
unir les emboîtures, des alliages dechrome et de cobalt sont
utilisés car ilssont résistants à la rupture, ils ne sedéforment
presque pas et une fois queleurs surfaces sont polies, elles
glissenttrès bien. En plus ces métaux sont inertesce qui évite le
risque de rejet pour la pro-thèse, à moins qu’il y ait présence
debactéries. On utilise davantage ces métauxcar on peut leur donner
des formes plus
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complexes qu’avec les céramiques, et leurcoût est beaucoup moins
élevé. Lescéramiques ont les mêmes utilisations queces alliages
sauf qu’elles sont beaucoupmoins malléables et plus couteuses.
Letitane est apprécié surtout pour salégèreté mais comme il ne
glisse pas aussibien que les alliages de chrome et decobalt, on ne
s’en sert pas pour faire desarticulations de prothèses. On
l’utiliseseulement pour les endroits fixes.
Plastiques utilisés pour fabriquer desprothèses
Ceux-ci doivent répondre à plusieurs obli-gations, selon leur
utilisation. Si une pro-thèse doit aller à l’eau, on utilise
unplastique imperméable comme le polyté-trafluoréthylène (plus
communémentappelé Téflon). Sa formule chimique est :... CF2 — CF2
... C'est un thermoplastique, qui peut doncêtre moulé (à une
température de320°C). En plus, il ne se combine pas àl’oxygène, ce
qui empêche les moisissuresde s’y installer. Ce plastique est aussi
trèsintéressant pour fabriquer des prothèses,car il est imperméable
à l’eau et aux graisseset résiste à la corrosion. Il est donc
trèsrésistant. De plus, le Téflon ne réagit pasavec les autres
molécules et n’adhère pasaux surfaces des autres corps.
D’autresplastiques ont besoin de résister aux
chocs. Par exemple, les plastiques utiliséspour fabriquer des
jambes artificiellessubissent fréquemment de gros chocs.C’est
pourquoi un plastique thermodur-cissable tel le polyester peut être
intéres-sant. Un polyester se fabrique en condensantun mélange de
diacides et de dialcools à200°C. Les acides sont alors remplacéspar
leurs anhydrides, tandis que l’eauproduite dans la réaction
s’évapore àcause de la température élevée. Pendantque le polyester
est liquide, on lui ajouteun monomère et, quand la masse se
solidifie, elle devient infusible. Le polypropylène est un polymère
résis-tant aux chocs. Il a aussi d’autres pro-priétés qui le
rendent intéressant pourfabriquer des prothèses. Il résiste aux
tem-pératures élevées, pourvu qu’elles soientinférieures à 135°C.
Il est rigide, de faibledensité et résiste aux rayons X. Par
contre,il n’est pas résistant à l’eau. Le polypropy-lène est un
thermoplastique tout commele téflon.
ConclusionLes dix dernières années ont vu undéveloppement rapide
d'innovations quiont conduit à la réalisation de prothèses,
à la fois très diverses et très performantes,grâce à la
combinaison et à la mise enœuvre de connaissances et de
disciplinesvariées, telles que la chimie des polymères,des
matériaux composites, la biochimie,couplées à l'informatique et
plus récem-ment à la neurophysiologie qui permet lacommande de
certaines prothèses par lecerveau, c'est-à-dire par la pensée.
Onentre véritablement dans les débuts d'unerévolution qui préfigure
un futur hommebionique, qui ne sera peut être pasdépourvu d'effets
pervers que l'on n'a pasencore véritablement identifiés.
Maisl'essentiel est de redonner aux handicapésqui sont
malheureusement de plus en plusnombreux dans le monde la
possibilité devaincre leurs handicaps, de leur redonnerune certaine
« normalité » et de leur per-mettre une insertion dans la société,
dans lemonde du travail, du sport et des loisirs. n
Détail d’une prothèse de jambe
Une prothèse de footballeur !
Tout devient possible !
Références:Cet article s’est inspiré largement du numéro du
Journal du CNRS sur « La Chimie prend soin de nous
»,janvier-février 2011, n° 252-253.
Et sur le site internet
:http://culturesciences.chimie.ens.fr/content/ces-materiaux-qui-reparent-le-corps-827
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