Classification : polymères, métaux, céramiques, composites

Les différents biomatériaux disponibles ne cessent pas d’évoluer et de se multiplier. Afin de mieux comprendre pourquoi un alliage métallique a été choisi comme matériau de base pour le développement de la prothèse du LCCr, nous passerons en revue les différentes classes de biomatériaux avant d’énumérer brièvement les principales propriétés spécifiques aux biomatériaux synthétiques.

Deux principales classifications permettent de faciliter la distinction entre les différents biomatériaux et leurs propriétés. En premier lieu, ils peuvent être classifiés en fonction de leur bioactivité : bioinerte, biorésorbable et bioactif. En second lieu, ils peuvent être dichotomisés selon leurs origines : les biomatériaux naturels (autologues) et les biomatériaux synthétiques [68]. Les seules substances qui s’harmonisent complètement avec les tissus sont fabriquées par le corps lui-même, c’est-à-dire les matériaux autologues. Lorsqu'un matériau synthétique est placé dans le corps, les tissus réagissent à celui-ci avec une sévérité qui varie selon sa composition et ses caractéristiques physiques. Les biomatériaux synthétiques sont redivisés selon leur composition : polymères, métaux, céramiques et composites. Les composites résultent de la combinaison d’au moins deux des autres classes [68]. Ces types de biomatériaux avec des exemples d’applications sont présentés au Tableau 2.

Tableau I. Biomatériaux synthétiques utilisé comme implants [22, 67]

Classe Exemples Applications

Polymères Nylon, silicones, TeflonTM, DacronTM, polyester fibers, polyurethane

Sutures résorbables, pansements de plaies, trocarts, dispositif de libération de médicament

Métaux Titane et ses alliages, cobalt-

chromium, acier inoxydable (316L)

Implants orthopédiques (plaques et vis), remplacement de hanche, électrodes

Céramiques Hydroxyapatite Remplacement de hanche, ciment à os

Composites Ciment de calcium phosphate Valve cardiaque, remplacement de hanche

1.3.2.1 Polymères

La classe des polymères est une des plus variées. Elle regroupe les matériaux formés de composés organiques, inorganiques ou synthétiques. À ce jour, la majorité des matériaux utilisés comme remplacement ligamentaire du LCCr bovin fait partie de cette classe. Nous y retrouvons par exemple le nylon, le DacronTM et le caprolactam [18, 20]. Du point de vue anatomique, les polymères sont principalement formés d’atomes de carbone et d’hydrogènes qui sont unis par des liens covalents.

Les polymères sont généralement non conducteurs d’électrons (isolants), inertes et flexibles avec des caractéristiques plastiques ou élastiques. De manière générale, les problèmes principaux des polymères comme biomatériaux sont leur instabilité selon les variations thermiques ainsi que leurs potentiel de vieillissement par oxydation [70]. Des problématiques plus spécifiques à l’utilisation des polymères comme remplacement du LCCr sont également décrites. Entre autres, la forte rigidité du nylon rend sa manipulation difficile en chirurgie. De plus, leurs propriétés mécaniques, qui suivent la loi de Hooke, sont très différentes des ligaments et leur risque de rupture prématurée est élevé [66, 71].

1.3.2.2 Biomatériaux métalliques

Les métaux et leurs alliages sont les matériaux les plus couramment utilisés pour la conception d’implants orthopédiques. Les matériaux dits métalliques comportent au moins un élément métallique tel que le titane, le nickel ou le fer. Ils peuvent aussi comporter des éléments non métalliques en faible quantité tels que le carbone ou l’oxygène. Les matériaux métalliques les plus fréquemment utilisés en chirurgie orthopédique sont le titane et ses alliages, l’acier inoxydable (316L), l’argent, le cobalt-chrome, ainsi que les alliages de platine et de magnésium [67, 72]. D’un point de vue anatomique, leurs éléments sont unis par des liaisons métalliques de sorte à créer un réseau cristallin tridimensionnel. Ces liaisons métalliques résultent de l'attraction électrostatique entre les électrons. Celles-ci sont facilement rompues lorsque les métaux sont déformés. Ce phénomène de glissement est responsable de la déformation plastique et de la ductilité des matériaux métalliques [67].

Le problème le plus commun des métaux est sans équivoque leur corrosion lorsqu’ils sont soumis à un environnement humide tel que le corps. Par conséquent, les performances à long terme d’un implant métallique dans le corps sont principalement régies par sa résistance à la corrosion [73]. Les oxydes métalliques, qui possèdent le potentiel d’induire des défauts dans le matériau, peuvent être spontanément formés suite à une réaction entre les atomes métalliques et l’oxygène, l’hydrogène ou les sels ioniques. Ce phénomène de corrosion ainsi que ses impacts potentiels seront élaborés plus en détails au point 1.3.3.

1.3.2.3 Céramiques

Les céramiques sont des composés inorganiques formées d’éléments métalliques et non métalliques. Leurs atomes peuvent être unis par des liens ioniques ou covalents. Leurs principales propriétés sont leur absence de conductivité électrique (isolant), leur caractère inerte qui leur confère une très bonne résistance à la corrosion, leur stabilité thermique, leur bonne résistance à la traction et leur dureté. En contrepartie, leur fragilité importante est un problème majeur qui les rend inutilisables comme remplacement ligamentaire [74].

1.3.2.4 Composites

Les composites sont le résultat de l’amalgame d’au moins deux des trois classes de biomatériaux préalablement discutées. Ainsi, les liens entre leurs atomes ont un caractère physique mixte. Le but derrière ce mélange est d’obtenir un matériel avec une combinaison des caractéristiques avantageuses des matériaux utilisés tout en minimisant leurs désavantages [75]. Ainsi, leurs caractéristiques typiques et principaux problèmes liés à leur utilisation comme biomatériaux sont également très variés selon leurs compositions et ne seront pas abordés dans cette revue littéraire.

Pour résumer, la connaissance des principales propriétés mécaniques des biomatériaux orthopédiques disponibles résumés dans ces quelques lignes devient primordiale pour choisir judicieusement de quoi peut être constituée une prothèse ligamentaire. À ce jour, aucune littérature scientifique ne permet de suggérer directement l’utilisation d’une prothèse métallique comme option chirurgicale pour le remplacement du LCCr [76]. Dans le cadre de cette étude, nous proposons l’utilisation d’une prothèse composée d’un alliage métallique, plus précisément le Nitinol, en raison de la supériorité connue des propriétés mécaniques des biomatériaux métalliques [67]. Pour le reste de cette section qui abordera les thèmes de la toxicité et des propriétés mécaniques des implants, une emphase sera mise sur les matériaux métalliques (sujet de notre étude). Pour sa part, l’utilisation spécifique du Nitinol comme biomatériau sera soigneusement décrite dans la prochaine section de cette recension littéraire, soit à la section 1.4.