Nouveaux matériaux pour réparer le corps humain

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Colle, céramique, titane, ciment, zircone… Notre corps est devenu l’hôte d’implants et de prothèses fabriqués dans des matériaux totalement inattendus et pourtant très bien tolérés par l’organisme. Ces matériaux ont la particularité d’être « bioactifs ».

Ils portent en eux des fonctions chimiques capables de leurrer le système vivant en lui faisant croire qu’il n’y a pas d’intrus. En outre, ils recèlent souvent des principes actifs aux vertus réparatrices… Le Hub Santé a fait un tour dans la boîte à outils de l’innovation chirurgicale pour réparer le corps humain.

1. Un sternum en céramique

Le public cible. Il existe trois situations qui nécessitent une prothèse de sternum : lorsqu’une tumeur primitive est logée sur cet os, en cas d’infection postopératoire après une chirurgie cardiaque (cela concernerait 4 % des 42 000 opérations cardiaques annuelles en France) et chez les enfants qui naissent sans sternum.
Jusqu’alors, ces situations demeuraient sans solutions satisfaisantes : les prothèses de sternum réalisées en ciment osseux ou en titane manquaient de souplesse et avaient démontré des risques infectieux importants…

La solution. Une prothèse de sternum en céramique d’alumine poreuse. Elle a été mise au point grâce à un partenariat noué en plein cœur du Pôle européen de la céramique européen de Limoges, entre le CHU de la ville et l’entreprise I.CERAM spécialisée dans les implants en céramique.

C’est le docteur François Bertin, chirurgien thoracique au CHU de Limoges, qui a piloté le projet. Il a déjà implanté son prototype de sternum en céramique poreuse sur trois patients : la première mondiale a été réalisée sur une patiente atteinte d’un cancer du sternum en mars 2015.

Le bonus de l’innovation. Cette céramique poreuse qui ressemble, selon François Bertin, à « une biscotte » a plusieurs atouts : légère, solide, biocompatible, elle limite les risques d’infections et permet une ostéo-intégration parfaite dans le corps. La porosité de la céramique permet de charger la prothèse en antitumoraux ou antibiotiques : elle devient ainsi un vecteur pour délivrer des médicaments limitant les risques d’infections et favorisant l’intégration. En six mois, l’implant fait partie intégrante de l’os auquel il est rattaché.

2. Du ciment injectable dans l’os

Le public cible. Les personnes atteintes d’ostéoporose. Principalement les femmes qui peuvent perdre jusqu’à 20 % de leur masse osseuse dans les 5 à 7 ans suivant la ménopause. L’ostéoporose est à l’origine de fractures, surtout dans les zones où l’os est spongieux : col du fémur, corps vertébraux et poignet. Les coûts hospitaliers induits avoisineraient les 800 millions d’euros par an en France.

À l’origine, on utilisait des blocs de sulfate de calcium pour remplacer la masse osseuse manquante. Puis, des traitements contre l’ostéoporose ont été mis au point pour tenter de ralentir l’activité des cellules qui résorbent l’os (les ostéoclastes). Le problème, c’est que ces inhibiteurs se révèlent peu efficaces par voie orale et lourds à administrer par voie intraveineuse.

La solution. Un ciment à base de phosphate de calcium. Le calcium et le phosphate sont les deux principales composantes minérales de l’os. Ce ciment, composé à partir de ces deux éléments, est le fruit des recherches de Bruno Bujoli, directeur de Recherche et du laboratoire CEISAM (CNRS / Université de Nantes). Il se présente sous la forme d’une pâte injectable qui durcit en quelques heures une fois logée sur le site à réparer. Modulable, cette pâte permet de réparer des défauts de toutes les formes et d’être injectée de façon mini invasive à l’aide d’une simple seringue.

En 2008, Bruno Bojoli a fondé la société privée Graftys avec plusieurs partenaires : elle commercialise aujourd’hui ces ciments sous deux formulations différentes.

Le bonus de l’innovation. Une fois injecté, le ciment est progressivement décomposé par le corps qui récupère le calcium et le phosphate pour reconstruire de l’os naturel. Il permet donc à l’os de se réparer tout seul et de se consolider. Autre bonus : le ciment injectable contient un médicament libéré progressivement qui empêche que l’os nouvellement constitué soit dégradé par l’ostéoporose.

3. Une colle pour fermer les plaies

Le public cible. Toutes les personnes ayant besoin de points de sutures pour réparer une plaie ou un organe.

La solution. Le produit est une solution aqueuse de nanoparticules (de silice ou d’oxydes de fer métabolisable par l’organisme) qui s’étale simplement au pinceau. Le principe d’adhésion de ces solutions aqueuses a été démontré grâce à la collaboration des équipes de Ludwik Leibler du laboratoire « Matière molle et chimie » (CNRS/ESPCI ParisTech) et de Didier Letourneur du Laboratoire de recherche vasculaire translationnelle (Inserm/Universités Paris Diderot et Paris 13).

Appliquées sur une surface humide, les nanoparticules établissent une multitude de connexions entre les deux surfaces (ce phénomène est appelé adsorption). Le processus d’adhésion ne comporte aucune réaction chimique. Expérimentée sur des rats, cette colle appliquée a le potentiel de bouleverser la pratique clinique in vivo.

Le bonus de l’innovation. Le potentiel de cette innovation appliquée en chirurgie et en médecine réparatrice est véritablement immense. Sur la peau, la colle permet de fermer des lésions ou même de profondes incisions chirurgicales en trente secondes : la cicatrisation est parfaite, sans inflammation ni nécrose, et la cicatrice est presque invisible. Appliquée sur un organe, la colle a permis de réparer un foie, cet organe mou impossible à suturer. Enfin, sur un cœur battant, cette solution a rendu possible la fixation d’un dispositif médical…

4. Un Larynx en Titane

Le public cible. Les personnes ayant subi une ablation totale du larynx, le plus souvent suite à un cancer. Le larynx est l’un de nos organes les plus complexes car il intervient dans trois fonctions : contrôle de la respiration, déglutition et parole (il abrite les cordes vocales). La Haute Autorité de Santé (HAS) évalue le nombre de cas annuels entre 1800 et 2000 en France. C’est d’autant plus un problème de santé publique que la réhabilitation sociale des patients laryngectomisés reste difficile. Le handicap vocal et respiratoire causé par la perte du larynx aboutit souvent à un isolement social.

La solution. Un larynx et une trachée en titane poreux. Ce dispositif a été mis au point grâce à la collaboration entre l’unité Biomatériaux et bioingénierie de l’INSERM dirigée par Philippe Lavalle, la société privée PROTiP de Strasbourg et le service du professeur Christian Debry de l’hôpital universitaire de Strasbourg Hautepierre (Bas-Rhin).

La première implantation de cette prothèse complète de larynx (valve) et de trachée (tube) a été effectuée sur l’homme en 2012, mais les travaux de recherche avaient démarré dix ans plus tôt. Une solution devrait être mise sur le marché en 2017.
L’opération permet au patient de respirer à nouveau normalement et non plus par un orifice dans la gorge, cependant la parole n’est pas restituée.

Le bonus de l’innovation. La porosité du titane permet de le recouvrir de fines couches de polymères biologiquement actifs qui favorisent la colonisation par des cellules spécifiques : cela facilite l’intégration tout en limitant les risques d’infection.

Cet implant de larynx complet en titane est le résultat d’une fusion de compétences entre des spécialistes du vivant (biologistes et cliniciens) et des experts en matériaux (physiciens et chimistes). C’est un bel exemple de ce que le décloisonnement entre disciplines scientifiques peut produire.

5. Du Zircone pour mouler un disque intervertébral

Le public cible. 80 % des plus de 50 ans sont frappés de dégénérescence des disques intervertébraux. C’est un véritable enjeu de santé publique car ces problèmes lombaires occasionnent de nombreux arrêts de travail et des dépenses de santé.

Le laboratoire Mateis(INSA) de Lyon est spécialisé dans l’étude des métaux, des céramiques, des polymères et de leurs composites. Dans le cadre du projet collaboratif européen Longlife coordonné par l’INSA Lyon, Helen Reveron-Cabotte, chargée de Recherche au laboratoire Mateis, a mené des travaux de recherche pour mettre au point des composites de céramiques techniques, plus performantes, plus résistantes physiquement et dans le temps, afin de pouvoir fabriquer des implants dentaires et des prothèses orthopédiques durables.

La solution. Une prothèse intervertébrale à base de zircone. Cette céramique composite possède une résistance mécanique très élevée. La zircone est modulable, inerte, n’occasionne pas de débris et a une durée de vie minimale de 60 ans ce qui évite tout problème post opératoire ou besoin de remplacement après usure.

Le bonus de l’innovation. Ce dispositif innovant inaugure le concept d’implant à vie. Il permettra aux patients opérés de retrouver une mobilité réelle puisque la prothèse reste mobile entre deux vertèbres alors que la seule opération chirurgicale possible (pratiquée sur les cas les plus critiques) consiste en une fusion de vertèbres.

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