Utilisation d’implants résorbables en chirurgie orthopédique équine : les matériaux disponibles - Pratique Vétérinaire Equine n° 221 du 01/04/2024
Pratique Vétérinaire Equine n° 221 du 01/04/2024

CHIRURGIE

Chirurgie

Auteur(s) : Paolo RAVANETTI

Fonctions : Clinica équina Equitecnica 43015 Noceto (Italie)

Bien qu’il existe peu d’études permettant de définir des indications pour chaque biomatériau, le praticien peut se faire une idée des avantages et des inconvénients de ces implants par rapport à ceux plus traditionnellement employés.

Depuis la Préhistoire, des matériaux qu’il est possible de définir comme les précurseurs des biomatériaux actuels sont utilisés (encadré 1). L’idée de pouvoir remplacer ou réparer des parties du corps avec des matières qui ne lui appartiennent pas a toujours été présente dans l’esprit de l’humain [10]. L’histoire nous apprend que le corps a la capacité étonnante de s’adapter à des matériaux exogènes et, au cours des 20 dernières années, une évolution remarquable s’est produite à cet égard avec l’utilisation de matériaux définis comme biocompatibles, bioabsorbables ou biodégradables.

Dans le domaine médical, l’accent a été mis sur le développement de matériaux artificiels ou, en d’autres termes, de “pièces de rechange” susceptibles d’améliorer les fonctions physiologiques et, en même temps, la qualité de vie. Dans les années 80, lors de la National Institutes of Health consensus development conference statement on the clinical applications of biomaterials, la communauté scientifique a officiellement défini le terme de “bioabsorbable” pour les dispositifs médicaux comme « un matériau conçu pour interagir avec les systèmes biologiques afin d’évaluer, de soutenir ou de remplacer n’importe quel tissu, organe ou fonction du corps ». Si en médecine et chirurgie humaines, il existe d’innombrables applications pour lesquelles des matériaux biocompatibles peuvent être utilisés, en médecine et en chirurgie équines, à l’exception de quelques applications telles que les sutures, les filets de réparation des orifices herniaires et certains dispositifs en ophtalmologie, la plupart des biomatériaux sont utilisés dans le domaine de l’orthopédie.

APPLICATIONS DÉCRITES EN CHIRURGIE ORTHOPÉDIQUE ÉQUINE

En ce qui concerne la médecine et la chirurgie équines, la littérature scientifique n’est pas particulièrement prolifique. Les équipes de Field en 1993 et de Pyles en 2007 ont mené deux études expérimentales sur la réparation des fractures du fémur et des os sésamoïdes proximaux, respectivement. D’autres publications rapportent des cas en décrivant différentes applications cliniques : en 2004, Nixon et coll. et en 2023, Bertuglia et coll. pour le rattachement de fragments ostéocartilagineux dans le cadre de l’ostéochondrose disséquante du fémur ; en 2010, Wall et coll. pour la correction des déviations angulaires chez le poulain ; en 2010, Mageed et coll. pour la réparation de fractures des os métacarpiens et métatarsiens rudimentaires ; en 2021, Ravanetti et coll. pour le traitement des kystes sous-chondraux et la réparation d’une fracture condylaire du métacarpe [1, 2, 5, 8, 9, 11, 12, 16]. Ces travaux ont abouti à des résultats différents et difficilement comparables, car ils ont été menés sur des segments anatomiques et des lésions de pathogénie variés, certains ont été conduits sur des modèles expérimentaux, alors que pour d’autres il s’agissait de conditions in vivo, mais surtout les dispositifs utilisés étaient constitués de biomatériaux différents et présentaient des formes diverses (encadré 2).

CLASSIFICATION DES BIOMATÉRIAUX

Les matériaux bioabsorbables jouent un rôle primordial en médecine. Ils peuvent être classés selon leur composition en matières inorganiques (métal, céramique, verre) et organiques (photos 1a et 1b). Les matériaux bioabsorbables organiques sont des polymères synthétiques ou naturels : polyglactine + polyétheréthercétone (Peek) ; L-lactide/DL-lactide ; acide poly-L-lactide (PLLA) ; acide polylactique (PLA)/triméthylène carbonate (TCM) ; PLA/polyacide lactique- co- glycolique (PLGA). Les matériaux inorganiques peuvent à leur tour être de nature composite, donc associés à des polymères tels que le polyéthylène, le polylactate, le polyester, le polysulfone, etc.

CHOIX DU BIOMATÉRIAU

Un biomatériau doit valider tous les tests d’innocuité exigés par la réglementation (cancérogénicité, toxicité, tératogénicité et immunogénicité). Pour qu’un implant résorbable puisse être utilisé en orthopédie, il doit présenter plusieurs qualités : résistance à la flexion supérieure à 270 MPa, résistance à la traction, à la compression, à la torsion et à l’impact, dureté, ostéoinduction ou ostéoconduction, biodégradabilité totale [14]. Aujourd’hui, les dispositifs résorbables les plus largement utilisés en orthopédie sont les polymères, les biocéramiques et les biométaux.

Polymères

Le précurseur, donc le dénominateur commun de tous les matériaux polymères, est le PLA. Il s’agit d’un polyester thermoplastique qui peut être obtenu à partir de diverses sources végétales telles que le maïs, la canne à sucre, le riz et la betterave. Il est biodégradable, recyclable, biocompatible et ne produit pas d’effets toxiques ou cancérigènes dans les tissus. Il a été l’un des premiers bioplastiques à être commercialisé et utilisé à grande échelle. En raison de ces caractéristiques, il a été qualifié de “bon” plastique et est employé pour la production de dispositifs médicaux (photo 2). De nombreux dispositifs orthopédiques commercialisés aujourd’hui sont entièrement ou partiellement composés de PLA ou de ses dérivés, tels que le polyéthylène, le polylactate, le polyester, le polysulfone, le polyglicoïde, etc. [6]. Les matériaux polymères étant tous à base cristalline, le processus de résorption se fait par hydrolyse avec la production de dioxyde de carbone et d’eau. La dégradation des implants composés entièrement de dérivés de PLA peut être à l’origine de réactions marquées à un corps étranger, de synovites, et même de l’activation du système du complément qui est à l’origine du rejet d’un corps étranger. En 2005, Shikinami a comparé la résorption d’un dispositif à base d’hydroxyapatite (HA) et de PLLA avec un composant polymère partiel, et d’un composé entièrement à base de PLLA [13]. L’étude a révélé que les dispositifs à base de plastique provoquent une inflammation des tissus dans les premiers stades, donc une instabilité possible de l’implant (photo 3). Souvent, ces réactions ne sont pas cliniquement démontrables, mais elles ont été observées chez des animaux de laboratoire au moyen d’une analyse histologique et de la microscopie électronique. En outre, il est démontré que la dégradation du PLA se produit comme une réaction à un corps étranger jusqu’à 143 semaines après l’implantation. L’une des principales causes de cette complication réside dans le diamètre de la molécule de la matrice polymérique : en effet, une molécule d’un diamètre supérieur à 10 microns, lorsqu’elle est insérée dans un tissu ou un os, active les cellules de l’inflammation et notamment celles responsables du rejet [13-15].

Biocéramiques

Les matériaux biocéramiques à trois composants à base d’HA et de phosphate de calcium (Ca/P) reproduisent fidèlement la matrice osseuse ; un composant polymère de PLLA leur est ajouté. En termes de module d’élasticité, ils sont pratiquement identiques à la corticale de l’os. Dans ces dispositifs, le PLLA sert de matrice autour de laquelle l’HA et les ions carbonates s’agrègent en comblant les “vides” [13, 14]. Ces matériaux sont bioactifs, ils ont donc la capacité d’interagir avec les tissus circonstants : l’intégration s’effectue par néoformation osseuse entre le dispositif et l’os environnant avec la formation de véritables échafaudages. Le processus est stimulé par les microparticules d’HA à la surface de l’implant qui favorisent une nouvelle vascularisation. Les vaisseaux envahissent l’implant, à partir du tissu osseux receveur, lorsque le procès de résorption de l’implant débute et que le nouvel os commence à le remplacer. En raison de la taille de ses molécules, la matrice de PLLA permet une dégradation homogène, assurant ainsi la stabilité de l’implant à long terme. L’analyse histologique a démontré la formation de nouvel os, de lamelles osseuses et de la trabéculation osseuse respectivement 2 semaines, 8 semaines et 25 semaines après l’implantation d’un dispositif en biocéramique [4]. Les dispositifs composites de microparticules d’HA forgées à haute température et de PLLA ont une morphologie très complexe à l’orientation multiaxiale, et non seulement longitudinale, ce qui garantit une résistance élevée dans toutes les directions losqu’ils sont implantés. La capacité de flexion et la force d’impact sont donc extrêmement élevées, rendant ces implants particulièrement indiqués lors de lésions osseuses, pour lesquelles une stabilité accrue est nécessaire.

Biométaux

Les biométaux peuvent être considérés comme relativement nouveaux puisqu’ils sont disponibles depuis 2013. Ils sont définis comme des matériaux composites à base de magnésium (Mg) et de zinc (Zn). Le magnésium a pour caractéristique d’avoir un poids spécifique réduit d’un tiers par rapport à celui du titane et son module d’élasticité est beaucoup plus proche de l’os cortical que celui des implants en titane. Par rapport aux matériaux biocéramiques, la principale différence consiste en un processus de résorption différent, par oxydation ou corrosion, avec un temps de dégradation bien plus court (tableau). Ils sont entièrement dégradables et ne contiennent aucun composant polymère. Des composants de surface ainsi que des composants osseux environnants entrent en jeu. Au cours du processus corrosif, le développement d’ions hydrogène autour de l’implant protège les tissus environnants en inhibant la croissance bactérienne [7].

AVANTAGES ET INCONVÉNIENTS

Des avantages et des inconvénients à l’emploi des implants résorbables peuvent être identifiés, et il est important de les connaître lors de la prise de décision (encadré 3, photos 4a à 4c). Les dispositifs métalliques ont certainement des propriétés mécaniques supérieures en matière de résistance à la compression et à l’impact. En revanche, à long terme, ils vont induire un saut de contrainte (stress shielding) dû à la différence d’élasticité entre l’os original et le dispositif implanté. En raison de leurs caractéristiques, les dispositifs résorbables peuvent être contre-indiqués dans le cas de fractures des os longs ou de fractures multiples ou déplacées. D’autre part, ils doivent être considérés comme un traitement de choix lorsque la régénération et le dépôt de nouvel os sont nécessaires, comme pour les kystes osseux sous-chondraux, les fractures condylaires incomplètes et les slab fractures (photos 5 et 6). Pour choisir correctement les matériaux à employer, il est très important de comprendre l’exacte composition des dispositifs disponibles et leurs processus de dégradation. Pour les implants incluant un composant à base plastique (PLLA ou ses dérivés), il est fondamental de connaître et de considérer la taille de ces molécules. En effet, un diamètre de 3 à 5 microns présente l’avantage de stimuler uniquement le mécanisme de phagocytose par les macrophages, assurant ainsi une totale absorbabilité, bioactivité et biocompatibilité, alors que les molécules au diamètre supérieur déclenchent le mécanisme du complément, puis le rejet de l’implant. Une fois déclenché, cet événement peut donc conduire à l’échec de l’intervention chirurgicale. Ainsi, la dégradation dépend de plusieurs facteurs, comme la composition, la forme et la taille du dispositif, et la vascularisation et le type de tissu dans lequel celui-ci est implanté. Le processus de résorption suit des mécanismes différents : par hydrolyse, notamment dans les environnements acides, pour les biocéramiques et les polymères, par oxydation dans les environnements basiques pour les biométaux. Le temps de résorption chez le cheval est actuellement inconnu, mais en partant du principe que la structure et la physiologie de l’os sont similaires à celles des autres mammifères testés, un temps de 3 à 5 ans peut être considéré comme raisonnable. Il convient de considérer également que plus la résorption dure longtemps, plus la stabilité assurée par le dispositif est majorée, améliorant donc le résultat obtenu.

CONCLUSION

Au cours des dernières années, probablement sous l’impulsion des publications récentes, l’utilisation de biomatériaux en chirurgie orthopédique chez le cheval s’est développée. Certes, il ne s’agit pas d’une révolution, mais concernant des affections spécifiques, cette pratique a permis une avancée en termes de guérison, donc de pronostic, avec des bénéfices évidents pour la filière équine. Dans les années à venir, à quoi peut-on s’attendre ? L’étape fondamentale sera de réduire la distance entre les chercheurs scientifiques et les praticiens. Sans doute que la conjonction des compétences et la collaboration entre les différentes parties conduiront au développement de nouveaux biomatériaux.

Le prochain défi consistera à combiner des substances biologiques et synthétiques à des molécules cellulaires, sur lesquelles l’ingénierie moléculaire est encore en train de travailler, compte tenu de la complexité des tissus à régénérer et du nombre de cellules nécessaires pour compléter le processus de réparation.

Références

  • 1. Bertuglia A, Pallante M, Pillon G et coll. Reattachment of osteochondritis dissecans lesions in the lateral femoral trochlear ridge with bioabsorbable screws in 4 yearling Standardbreds. J. Equine Vet. Sci. 2023;123:104242.
  • 2. Field JR, Hearn TC, Arighi M. Investigation of bioabsorbable screw usage for longbone fracture repair in the horse: biomechanical features. Vet. Comp. Orthop. Traumatol. 1993;6:42-46.
  • 3. Kamrani S, Fleck C. Biodegradable magnesium alloys as temporary orthopaedic implants: a review. Biometals. 2019;32(2):185-193.
  • 4. Kuroyanagi G, Yoshihara H, Yamamoto N et coll. Treatment of lateral tibial condylar fractures using bioactive, bioresorbable forged composites of raw particulate unsintered hydroxyapatite/poly-L-lactide screws. Orthopedics. 2018;41(3):e365-e368.
  • 5. Mageed M, Steinberg T, Drumm N et coll. Internal fixation of proximal fractures of the 2nd and 4th metacarpal and metatarsal bones using bioabsorbable screws. Aust. Vet. J. 2018;96:76-81.
  • 6. Marin E, Boschetto F, Pezzotti G. Biomaterials and biocompatibility: an historical overview. J. Biomed. Mater. Res. A. 2020;108(8):1617-1633.
  • 7. May H, Alper Kati Y, Gumussuyu G et coll. Bioabsorbable magnesium screw versus conventional titanium screw fixation for medial malleolar fractures. J. Orthop. Traumatol. 2020;21(1):9.
  • 8. Nixon AJ, Fortier LA, Goodrich LR et coll. Arthroscopic reattachment of osteochondritis dissecans lesions using resorbable polydioxanone pins. Equine Vet. J. 2004;36(5):376-383.
  • 9. Pyles M, Garcia Alves A, Hussni C et coll. Bioabsorbable screws in the healing of experimentally induced fractures of the proximal sesamoid bone in horses. Ciência Rural. 2007;37(5):1367-1373.
  • 10. Ratner BD, Zhang G. A History of biomaterials. In: Biomaterials Science. An Introduction to Materials in Medicine. Eds. Ratner BD, Hoffman AS, Schoen FJ and JE Lemons, 4th ed. Elsevier Academic Press, London. 2020:1616p.
  • 11. Ravanetti P, Hamon M, Lechartier A et coll. Surgical repair of a unicortical condylar fracture in a Thoroughbred racehorse using a bioabsorbable screw. J. Equine Vet. Sci. 2021;99:103384.
  • 12. Ravanetti P, Lechartier A, Hamon M et coll. A composite absorbable implant used to treat subchondral bone cysts in 38 horses. Equine Vet. J. 2022;54(1):97-105.
  • 13. Shikinami Y, Matsusue Y, Nakamura T. The complete process of bioresorption and bone replacement using devices made of forged composites of raw hydroxyapatite particles/poly L-lactide (F-u-HA/PLLA). Biomaterials. 2005;26:5542-5551.
  • 14. Shikinami Y, Okuno M. Bioresorbable devices made of forged composites of hydroxyapatite (HA) particles and poly-L-lactide (PLLA): Part I. Basic characteristics. Biomaterials. 1999;20:859-877.
  • 15. Szczesny G, Kopec M, Politis DJ et coll. A review on biomaterials for orthopaedic surgery and traumatology: from past to present. Materials (Basel). 2022;15(10):3622.
  • 16. Wall RA, Robinson P, Adkins AR. The use of an absorbable bone screw as a transphyseal bridge for the correction of fetlock varus deviations in six foals. Equine Vet. Educ. 2010;22:571-575.

Conflit d’intérêts

Aucun

ENCADRÉ 1
HISTORIQUE

Il y a 4 000 ans déjà, les Égyptiens utilisaient des fils de lin pour réparer les plaies, tandis que dans la Grèce antique, des fils d’or étaient employés pour les sutures. Changeant de continent et de civilisation, les anthropologues ont documenté la façon dont les Incas réparaient les fractures à l’aide de plaques d’or ou utilisaient le même matériau pour fabriquer des dents artificielles. Toujours il y a environ 4 000 ans, la médecine chinoise utilisait également le bambou comme implant dentaire naturel. En 200 avant Jésus-Christ, le fer a été le précurseur en Europe des implants dentaires. Plus récemment, en 1939, les polymères ont fait leur apparition en tant que biomatériaux. En 1950, un alliage métallique bio-inerte composé de cobalt-chrome-molybdène (CoCrMo) a été utilisé pour la première fois afin d’améliorer la biocompatibilité des implants d’ostéosynthèse (plaques, vis). En 1970, une véritable révolution a eu lieu avec l’emploi en chirurgie de matériaux bioactifs ou bioabsorbables, comme les céramiques et les polymères dérivés du plastique. Enfin, en 2010, donc dans une période très récente, l’utilisation d’hydrogels et d’organes ou tissus reproduits par bio-ingénierie à l’aide d’imprimantes 3D a vu le jour.

ENCADRÉ 2
FACTEURS DÉTERMINANT LE SUCCÈS D’UN DISPOSITIF BIOCOMPATIBLE

L’utilisation réussie d’un matériau biocompatible dépend essentiellement de trois facteurs étroitement liés : la compatibilité, la composition et la réaction induite (inflammation ou rejet). La compatibilité implique la capacité d’un matériau ou dispositif à ne pas provoquer de réactions indésirables après son implantation, donc sa capacité inhérente à assurer la fonction pour laquelle il est choisi et utilisé. Tous les matériaux ou dispositifs doivent être considérés comme des “corps étrangers” une fois introduits dans le corps et ils sont donc parfois à l’origine d’une réaction postopératoire indésirable. Cette réaction correspond à l’état inflammatoire induit par l’activation des mécanismes de réparation. Toutefois, il est souhaitable d’utiliser des matériaux dont la composition ne produit pas en soi de tels effets. Il est fondamental que l’état inflammatoire généré par l’implant se limite à une phase aiguë de courte durée, et ne dégénère pas en un processus chronique. La chronicité empêcherait la restitutio ad integrum des tissus affectés et, dans un second temps, entraînerait le rejet effectif de l’implant. D’autres facteurs tels que la forme et la conception de l’implant, la dynamique et le mouvement de la structure dans laquelle il est inséré, mais aussi les compétences du chirurgien et sa connaissance des matériaux utilisés, jouent également un rôle dans le succès de l’emploi d’un implant.

ENCADRÉ 3
UTILISATION D’UN DISPOSITIF BIODÉGRADABLE

Avantages

• Meilleure réparation physiologique des tissus affectés.

• Pas de nécessité d’une seconde opération pour retirer l’implant.

• Faible risque d’ostéoporose autour de l’implant.

• Excellent retour à l’architecture osseuse.

• Pas d’artefacts lors des examens d’imagerie.

Inconvénients

• Rigidité moindre par rapport aux dispositifs métalliques.

• Résistance mécanique plus faible.

• Résistance à l’impact plus faible.

• Prix généralement plus élevé que les implants métalliques.

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