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LA CÉRAMIQUE DANS LES PROTHÈSES TOTALES DE HANCHE
un vrai progrès technologique au service des patients.

Durant les 3 dernières décennies, la céramique d’alumine, actuellement dans sa 3ème et 4ème génération, a été grandement améliorée en termes de propriétés mécaniques, incluant pureté, microstructure du grain et résistance à l’éclatement.
En pratique clinique, la céramique est particulièrement indiquée pour les patients jeunes, et très actifs. Mais le couple de frottement dur-dur = céramique-céramique reste pour nous, comme vous le verrez dans ce texte, un excellent couple de frottement pour des prothèses de hanche posées chez des patients plus âgés, et parfois plus actifs qu’on ne l’imagine....

Introduction

Le principal problème affectant la survie d’une prothèse totale de hanche (PTH) est la production de débris d’usure, qui entrainent une ostéolyse et éventuellement un descellement. Actuellement, les différentes combinaisons de couple de frottement disponibles sont  : le polyéthylène (PE) moyennement ou hautement réticulé (que l’on peut assimiler à du plastique dur amélioré) avec des têtes fémorales en métal ou en céramique, les couples dur-dur métal-métal (M/M), actuellement sous le feu des critiques mais très à la mode ces 10 dernières années, et céramique-céramique (C/C).

De manière générale, l’usure des surfaces de contact en PE génère de nombreuses particules de polyéthylène (plastique) qui vont stimuler la production d’enzymes et de facteurs hormonaux par les macrophages essentiellement, qui vont à leur tour stimuler l’activation de cellules ostéoclastiques (qui détruisent l’os), ce qui conduit inéluctablement à l’ostéolyse et au descellement aseptique de la prothèse à +/- long terme. Rappelons-nous qu’Hernigou et al. a démontré qu’à 20 ans de survie, il existait des ostéolyses périprothétiques sur 3 hanches Céramique/C pour 20 hanches Céramique/PE...

Les couples M/M produisent quant à eux des micro-particules d’usure métalliques qui relarguent dans la circulation systémique des ions chrome et cobalt, avant d’être rejetés par les reins et dans les urines. Le risque représenté par des concentrations sanguines élevées de chrome et de cobalt est encore mal connu. Cependant il existe de vraies préoccupations quant à leur risque carcinogène (cancers hématopoïétiques) et leur propension à entrainer des réactions d’hypersensibilité avec l’apparition de pseudo-tumeurs parfois très impressionnantes.

Par conséquent, chez les patients jeunes et actifs ou chez les femmes en âge de procréer, notre inquiétude est grande car ces patients pourraient être particulièrement exposés aux fortes concentrations ioniques, et de plus sur un intervalle de temps plus long. C’est ainsi qu’un article récent, publié dans une revue de premier ordre, contre-indique tout simplement la mise en place de prothèses de hanche (de resurfaçage) MÉTAL/MÉTAL chez les femmes... (Smith AJ, Dieppe P, Howard P, et al. Failure rates of metal-on-metal hip resurfacings: analysis of data from the National Joint Registry for England and Wales. Lancet. Published online before print Oct. 2, 2012).

Du fait que les couples de frottement C/C d’alumine démontrent des taux d’usure très faibles, ils sont alors devenus, pour nous, un choix privilégié dans notre pratique clinique courante.

Un peu d’histoire....

Pierre Boutin, un chirurgien français stéphanois, a été le premier à rapporter son expérience des PTH céramique-céramique en 1970. Les premiers résultats cliniques à court et moyen terme, jusqu’à 18 ans de suivi, furent d’ailleurs encourageants, avec peu d’usure, une ostéolyse limitée et un faible taux de complications.

Cependant, de nombreux inconvénients des articulations C/C de 1ère génération furent rapportés. Les premiers matériaux en céramique possédaient des grains volumineux et contenaient des impuretés, ce qui a conduit à de nombreuses fractures d’implants. Le taux de fracture d’implant en céramique de 1ère génération était de 13% environ... Pour descendre à un taux de 0,014% pour les implants de 2ème génération.

Avec le développement des processus de fabrication tels que la compaction isostatique à haute température (HIP)(1993), le test d’épreuve unitaire (1990) et la gravure laser, les composants en céramique modernes actuellement produits présentent de bien meilleures caractéristiques. Les céramiques de 3ème génération Biolox Forte produites par CeramTec (Medical Products, Plochingen, Germany), le principal fabricant et fournisseur de têtes fémorales et d’insert cotyloïdien en céramique dans le monde, ont ainsi pu être homologuées par la FDA aux Etats-Unis en 2003.

La taille moyenne des grains de céramique a pu être réduite de 3.2 à 1.8 microns, avec une meilleure densité, et la résistance en flexion est passée de 400 à 580 MPa. Ce qui explique les excellents taux de rupture d’implant qui sont actuellement de 0,004%, c’est-à-dire 4 ruptures pour 100 000 têtes d’alumine. Le taux de survie à 10 ans était de 90.8% pour les céramiques de 1ère et 2ème génération et est aujourd’hui de 100% pour celles de 3ème génération.

Les caractéristiques des céramiques modernes

Théoriquement, l’alumine est 10 fois plus dure que le chrome-cobalt (l’acier utilisé dans les PTH). L’alumine, avec une dureté de 2000 VH (Vickers Hardness), est l’un des matériaux les plus durs. Cette dureté lui procure une excellente résistance à la rayure. De plus, elle offre une très bonne lubrification, une meilleure mouillabilité, accrue lors de la présence d’un microfilm sur les surfaces de la céramique. C’est d’ailleurs l’absence de microfilm comme le liquide articulaire, qui a été incriminé dans l’apparition de «  squeaking  » = grincement dans les PTH céramique/céramique. La forte liaison entre les molécules d’oxygène et d’aluminium procure une excellente résistance à la corrosion et empêche le relargage ionique qui est de plus INERTE, ce qui annihile les réactions allergiques.


La céramique possède donc une meilleure biocompatibilité et un taux d’usure très inférieur aux autres matériaux (C/C = 0,004 mm/an, M/M = 0,0063 mm/an, C/PE = 0,085 mm/an, M/PE = 0,19 mm/an).


Cependant la céramique possède une faible résistance à la déformation, ce qui la rend fragile car elle ne peut se déformer sans casser.
Les couples de frottement C/C sont à l’heure actuelle particulièrement indiqués chez les patients jeunes et très actifs. Les taux de rupture étant passés de 1/100 environ sur les 1ères générations à 1/25000 sur la 3ème et 4ème génération, ils sont aussi recommandés dans les changements de prothèses, spécialement chez les sujets jeunes.

La vie en céramique n’est pas toujours rose...

- Les fractures d’implants en céramique

La fracture de la tête ou de l’insert cotyloïdien en céramique demeure un inconvénient majeur du couple de frottement céramique/céramique.

Tout d’abord n’oublions pas que tous les couples de frottement, y compris le PE et le métal, possèdent ce risque de casser.

Puis actuellement, le risque de fracture des têtes fémorales en céramique de 3ème génération est très rare. Une étude américaine multicentrique récente et validée par la FDA (Food and Drug Administration) a révélé l’absence totale de fracture de céramique sur 333 cas de PTH avec un suivi de 3 ans (Garino JP. Modern ceramic-on-ceramic total hip systems in the United States  : early results. Clin Orthop Relat Res, 2000, 379  : 41-47).

Le vrai souci réside en fait dans les fractures d’insert, qui sont causés par un mauvais positionnement et/ou une mauvaise impaction, générant des pics de contrainte incontrôlés sur la céramique. Des chiffres pouvant aller jusqu’à 16,4% de mauvais positionnement de l’insert ont été ainsi rapportés.

De nombreux facteurs favorisants sont impliqués dans une fracture de tête en céramique  : le traumatisme, le plus souvent un saut de 1m, 1m50 avec réception sur le membre porteur de la prothèse, une très importante activité physique, l’obésité, le mismatch des implants, un petit diamètre (22 ou 28 mm), un défaut de fabrication ou un défaut de pose.

La prise en charge chirurgicale d’une rupture de tête en céramique sur une PTH C/C est la suivante  :

- ablation la plus complète possible de tous les débris de céramique, surtout au pourtour de la cupule cotyloïdienne et dans les parties molles péri-cotyloïdiennes
- lavage
- le plus souvent le cône de la tige est mâté et rongé par les débris de céramique, imposant le changement de la tige monobloc ou le changement du col modulaire le cas échéant.  L’insert de céramique étant abîmé, rayé ou endommagé, il est recommandé de le changer en gardant le métal-back. Le changement de tête est indispensable, et il est recommandé là aussi de le faire avec une autre tête en céramique, sous peine d’usure rapide prématurée de l’interface articulaire si il reste des débris de céramique dans l’articulation.

- La luxation

La luxation de PTH apparaît surtout dans la 1ère année. Les facteurs de risque sont  : un défaut d’antéversion du cotyle en dessous de 20°, une verticalisation du cotyle au-delà de 50° par rapport à l’horizontale, une antéversion globale des implants en deçà de 40° ou au-delà de 60°.

Au-delà des critères de choix de la voie d’abord, pour limiter le taux de luxations, une cupule cotyloïdienne avec un insert céramique devra être positionnée avec une nette antéversion et une nette horizontalisation.

Le plus grand champ d’options offertes par les inserts et les têtes en céramique est aussi très utile. Ainsi en augmentant le diamètre de la tête (de 22 à 36 mm), ce qui est permis par la céramique de 4ème génération comme la delta, on diminue fortement le risque de luxation tout en augmentant l’arc des mobilités, ce qui a été démontré par de nombreuses études cliniques.

- Le squeaking

Le squeaking, ou grincement, est une autre complication des couples de frottement C/C. Sa fréquence varie de 0,7% à 20,9%, selon les publications.

Bien que la plupart des hanches prothésées présentant un squeaking, soient totalement indolores et dénuées de tout symptôme, le phénomène bruyant qui en résulte peut avoir un impact psychologique négatif sur les patients, et peut conduire parfois à leur mécontentement et à une chirurgie de révision.

L’étude de Walter (Walter WL, O’toole GC, Walter WK et al. Squeaking in ceramic-on-ceramic hips : the importance of acetabular component orientation. J Arthroplasty. 2007, 22; 496-503), a rapporté une incidence de squeaking de 0,66% sur une série personnelle de 2397 PTH C/C. Les patients les plus jeunes, les plus lourds et les plus grands étaient les plus exposés au squeaking.

D’autres facteurs comme les cols courts, les cupules cotyloïdiennes trop verticales, les raccourcissements induisant une laxité intra-articulaire et des microséparations, ont été incriminés dans la genèse du bruit. Le dépôt de métal à la surface de la tête fémorale («  stripe wear  »), occasionné par une microséparation, une subluxation, un conflit de la tête céramique avec le métal-back du cotyle ou un manque de lubrification de l’articulation peut lui aussi induire des phénomènes de squeaking.

Il apparaît cependant très probablement que les origines du squeaking sont multifactorielles (implant, patient, facteurs chirurgicaux) et que la révision de la prothèse C/C ne doit être envisagée que si la gêne est majeure et qu’elle s’accompagne d’un défaut d’orientation évident.

Les prothèses C/C de nouvelle génération

Nous n’avons, à l’instar de nombreux chirurgiens, jamais posé de cupules «  sandwich  » PE/Céramique ou titane/PE/Céramique car elles ont démontré de bien mauvais résultats, avec plus de 15% de fractures de l’insert....

Nous préférons la fixation directe de l’insert en céramique (delta) dans une cupule (métal-back) en titane, car cela lui permet d’avoir une plus grande épaisseur et lui permet aussi d’accueillir une tête fémorale de plus grand diamètre, offrant ainsi une plus grande  amplitude de mouvements.
Ceci a été permis grâce à l’émergence de la 4ème génération de céramique, appelé Biolox Delta, dont le principe de fabrication inclus des particules de zircone dans la matrice d’alumine. Des nano-particules de zircone, tétragonales, qui améliorent les propriétés mécaniques et réduisent l’usure en prévenant l’apparition et la propagation des cracks, agissant ainsi comme un airbag de voiture.

L’alumine Delta est composée ainsi de  : 75% d’oxyde d’alumine, 25% de zircone, et de moins d’1% d’oxyde de chrome et de strontium. In vitro les taux d’usure sont donc passés de 1.84 mm3/ millions de cycles pour des couples de frottement alumine/alumine à 0,16 mm3/ millions de cycles pour des couples Delta/Delta.

Un article récent (Masson B. Emergence of the alumina matrix composite in total hip arthroplasty. Int Orthop. 2009, 33: 359-363) rapportait l’absence totale de rupture de céramique delta, sur un suivi de 6 ans, portant sur 65 000 têtes de céramique et de 40000 inserts. Il ne fait donc aucun doute que l’amélioration des propriétés mécaniques de cette nouvelle céramique permettra de diminuer le taux de fracture d’implant et permettra la fabrication d’inserts plus fins et de têtes de plus grand diamètre. Ceci ayant pour conséquence la diminution du taux de luxation, d’  «  impingement  » ou de conflit et la diminution de la fréquence du squeaking.

Les couples de frottement Céramique/Céramique ont acquis au fil de l’amélioration de leurs propriétés mécaniques, une plus large popularité. Nous pensons qu’il est maintenant possible d’apporter des solutions efficaces et durables aux problèmes de longévité et d’usure des prothèses totales de hanche, y compris chez le sujet jeune et actif.