Bonne ostéoconduction
Propriétés mécaniques faibles, notamment
pour les chargements mécaniques précoces
Facilité à préparer le ciment
Manque de cohésion de la pâte possible → désagrégation du ciment en présence de fluides biologiques (« washout ») et une séparation des phases solide et liquide peut être observée au moment de l’injection
(« filter pressing »)
Injectabilité → possibilité de recourir à des
techniques chirurgicales mini-invasives
Forme adaptable → contact ciment-os
optimum même dans des défauts à géométries complexes
Manque de macroporosité et de porosité interconnectée → limite la croissance osseuse
Prise in-situ et à température physiologique
Le dégagement de chaleur lors de la réaction de prise se fait de manière lente et diminue les conséquences de l’exothermicité
Biodégradation in-vivo plus lente que la
croissance d’os néoformé
Coût faible
Association possible d’antibiotiques, de
facteurs de croissance, de protéines dans la formulation → libération des agents biologiques de manière locale
: propriétés spécifiques à certains ciments
Chapitre I Revue bibliographique
L’utilisation d’un ciment polymère à base de poly(méthacrylate de méthyle) (PMMA) permet de s’affranchir du manque de cohésion de la pâte au moment de l’injection et de contrôler parfaitement son injectabilité. Cependant, la réaction de prise de ce type de ciments (polymérisation du MMA) est généralement très exothermique et s’accompagne donc d’un échauffement local qui peut endommager les tissus environnants et dénaturer les éventuelles molécules thérapeutiques (antibiotiques,…) ou molécules biologiquement actives ajoutées à la formulation du ciment. Enfin, aucun de ces ciments n’est ni bioactif ni résorbable et s’il se dégrade, les monomères libérés ou encore ceux qui n’ont pas réagi (monomères résiduels) peuvent être toxiques pour l’organisme.
En d’autres termes, le candidat idéal serait un ciment qui allierait la biocompatibilité, la bioactivité et l’ostéoconduction d’un ciment minéral rapidement résorbable avec les propriétés rhéologiques et mécaniques d’un ciment polymère. Ce constat explique le développement de nombreux ciments composites.
4.4. Perspectives et challenges actuels dans la recherche sur les ciments
Malgré une recherche très active et les progrès réalisés ces dernières années, il reste encore beaucoup à faire dans le domaine des ciments biomédicaux à base de phosphates de calcium et de nouvelles perspectives de recherche se sont ouvertes [Bohner et coll., 2005-b]. En effet, certaines propriétés physiques, chimiques et biologiques des ciments sont encore peu étudiées ou mal comprises.
Par ailleurs, l’écart entre les propriétés des ciments actuellement sur le marché et les attentes des chirurgiens et des radiologues est assez grand. Il est donc essentiel d’identifier les propriétés-clés répondant aux besoins cliniques, afin d’y apporter des solutions adéquates. Les études sur le sujet [Ginebra et coll., 1994 ; Bohner et coll., 2005-b] indiquent qu’il serait nécessaire que :
- le ciment soit peu coûteux.
- le gâchage du ciment soit facile et reproductible et qu’il conduise à une pâte homogène et sans grumeaux.
Chapitre I Revue bibliographique
- la pâte du ciment soit complètement injectable sans démixtion de phases et que sa cohésion soit suffisante pour qu’elle ne se désintègre pas au contact des fluides biologiques.
- la période pendant laquelle il est possible de modeler le ciment sans endommager sa microstructure soit suffisamment longue pour faciliter la pose du ciment in-situ.
- le ciment prenne assez rapidement. Selon Ginebra et coll. [1994], le temps de prise initial du ciment (mesuré par la méthode de l’aiguille de Gillmore) doit être compris entre 4 et 8 minutes.
- la force maximale du ciment soit atteinte dans un temps minimum après implantation. Cette période devrait être de l’ordre de la durée de l’anesthésie, car le patient doit rapidement pouvoir bouger à nouveau [Ginebra et coll., 1994].
- le ciment soit radio-opaque afin de visualiser son introduction dans le site osseux et de vérifier son évolution (résorption, dégradation,….) à plus ou moins long terme.
- l’implantation du ciment donne de bons résultats cliniques, tels que le remplacement rapide du substitut par de l’os néoformé ou une apposition osseuse rapide [Bohner et coll., 2005-b]. Cela nécessite de contrôler la taille et l’interconnexion de la porosité pour permettre la diffusion des nutriments et des cellules ainsi que la repousse du tissu osseux nouvellement formé [Legeros et coll., 2008] en phase avec la résorption progressive et à court terme de l’implant.
Parmi toutes ces propriétés, certaines en particulier nécessitent d’être améliorées et sont actuellement le fruit d’une recherche active. On peut notamment citer :
- une résorption plus rapide. Des études récentes montrent que les ciments brushitiques peuvent avoir une résorption plus rapide que les ciments apatitiques. Cependant, la transformation in-vivo de la brushite en apatite qui a été observée, peut ensuite limiter la résorption du ciment [Bohner et coll., 2005-b]. D’une façon générale, l’introduction de composés plus solubles que l’apatite (CaCO3, CaSO4,..) dans la formulation des ciments est
une voie qui est explorée par différents groupes de recherche.
- le contrôle de la porosité qui favorise à la fois la résorption du ciment et la repousse du tissu osseux.
- le comportement rhéologique des ciments phosphocalciques [Bohner et coll., 2005-b]. Il y a encore assez peu d’études sur le sujet et la plupart des ciments minéraux ne sont pas injectables.
Chapitre I Revue bibliographique
- l’addition de radio-opacifiants devrait permettre une meilleure visualisation lors de l’injection des ciments, particulièrement pour les techniques de vertébroplastie.
5. Les ciments à base de carbonate de calcium
La problématique de ce travail de thèse s’inscrit dans le contexte de l’amélioration et du contrôle des propriétés physico-chimiques et biologiques des ciments minéraux en vue d’apporter des réponses aux attentes des praticiens. De nouvelles compositions de ciments ont récemment été mises au point par l’équipe Phosphates, Pharmacotechnie, Biomatériaux du CIRIMAT de Toulouse. Ces ciments contiennent une proportion majoritaire de carbonate de calcium (de 50 à 100 % en masse). Le CaCO3 étant plus soluble que les sels de phosphate, le
but est d’obtenir une gamme de ciment résorbables dont on peut contrôler la vitesse de résorption en ajustant la quantité de carbonate de calcium introduite. La faisabilité et la cytocompatibilité de ces ciments ont été démontrées [Combes et coll., 2006-a ; Combes et coll., 2006-b] et un brevet d’invention a été déposé en 2001 [Fontaine et coll., 2001].
Les travaux de thèse qui sont présentés dans les chapitres suivants portent plus particulièrement sur les deux ciments qui constituent les extrêmes de cette gamme :
- la phase solide du premier contient 50 % de CaCO3 et 50 % de phosphate de calcium (CaP).
Il s’agit donc d’un ciment mixte, qui sera noté par la suite « ciment CaCO3-CaP ».
- la phase solide du second est constituée à 100 % de CaCO3. Ce ciment sera noté « ciment
CaCO3 ».
5.1. Le ciment CaCO3-CaP
Le principe de base de ce ciment repose sur la réactivité d’un mélange biphasique de poudres incluant une variété métastable du carbonate de calcium associée à un sel de phosphate de calcium.
La phase solide du ciment CaCO3-CaP est constituée pour moitié de vatérite et pour moitié de
DCPD (rapports pondéraux). Elle est gâchée avec la phase liquide, de l’eau désionisée, dans
Chapitre I Revue bibliographique
34
un rapport L/S = 0,5. Ce rapport a été minimisé pour obtenir des propriétés mécaniques maximales tout en conservant une pâte malléable [Miao, 2004 ; Combes et coll., 2006-b].
La réaction de prise a été étudiée in-vitro en plaçant le ciment dans une atmosphère saturée en eau dans une étuve à 37°C (température physiologique) pendant 48 heures. Le ciment prend par une réaction de dissolution - reprécipitation qui mène à la formation d’une apatite carbonatée analogue au minéral osseux. Cette réaction de prise sera détaillée de manière plus précise dans le chapitre III.
5.2. Le ciment CaCO3
Le principe de ce ciment repose sur le mélange de deux phases polymorphes du CaCO3. La
phase solide est en effet constituée pour un tiers de carbonate de calcium amorphe et pour deux tiers de vatérite. Gâchée avec de l’eau désionisée dans un rapport L/S = 0,67 (ce rapport a également été optimisé lors d’études antérieures), elle forme une pâte malléable. Tout comme pour le ciment CaCO3-CaP, la réaction de prise a été étudiée in-vitro en plaçant le
ciment dans une atmosphère saturée en eau dans une étuve à 37°C pendant 48 heures. Après réaction, le produit constitutif majoritaire du ciment est l’aragonite [Combes et coll., 2006-a]. La composition et les propriétés physico-chimiques de ce ciment seront également discutées dans le chapitre III.