Ciment utilisable dans le corps humain - ciment osseux

Le ciment osseux est un terme courant désignant un matériau médical utilisé en orthopédie. Son aspect et ses propriétés physiques, similaires à ceux du ciment blanc utilisé dans la construction et la décoration après solidification, expliquent cette appellation. Dès les années 1970, le ciment osseux était utilisé pour la fixation des prothèses articulaires ; il peut également servir de matériau de comblement et de réparation tissulaire en orthopédie et en dentisterie.

Le principal avantage du ciment osseux réside dans sa solidification rapide, permettant une rééducation postopératoire précoce. Cependant, il présente aussi des inconvénients, comme une pression parfois élevée dans la cavité médullaire lors du remplissage, susceptible d'entraîner le passage de gouttelettes de graisse dans les vaisseaux sanguins et de provoquer une embolie. De plus, contrairement à l'os humain, le ciment osseux peut, à terme, entraîner un descellement des prothèses articulaires. C'est pourquoi la recherche sur les biomatériaux utilisés pour le ciment osseux demeure un sujet d'intérêt majeur pour les chercheurs.

À l'heure actuelle, les ciments osseux les plus utilisés et les plus étudiés sont le ciment osseux en polyméthacrylate de méthyle (PMMA), le ciment osseux en phosphate de calcium et le ciment osseux en sulfate de calcium.
Le ciment osseux PMMA est un polymère acrylique obtenu par mélange de monomère de méthacrylate de méthyle liquide et d'un copolymère dynamique de méthacrylate de méthyle et de styrène. Il présente une faible teneur en monomères, une faible résistance à la fatigue et à la fissuration sous contrainte, ainsi qu'une résistance à la traction et une plasticité élevées. Le ciment osseux PMMA est largement utilisé en chirurgie plastique et médicale, et ses applications remontent aux années 1940 en dentisterie, en chirurgie crânienne et dans d'autres domaines de la réparation osseuse. Le ciment osseux acrylique est utilisé en chirurgie tissulaire humaine et a été appliqué dans des centaines de milliers de cas cliniques, tant au niveau national qu'international.

La phase solide du ciment osseux PMMA est généralement constituée d'un prépolymère PMMA partiellement polymérisé, tandis que la phase liquide est composée de monomère MMA, auquel sont ajoutés des initiateurs et des stabilisants de polymérisation. Lorsque le prépolymère PMMA (phase solide) est mélangé au monomère MMA (phase liquide), une réaction de copolymérisation se produit immédiatement, permettant la solidification du ciment osseux. Cependant, ce processus de solidification dégage une importante quantité de chaleur, susceptible d'endommager thermiquement les tissus environnants et d'entraîner une inflammation, voire une nécrose tissulaire. Par conséquent, des recherches supplémentaires sont nécessaires de toute urgence afin d'améliorer la qualité du ciment osseux en polyméthacrylate de méthyle et de réduire, voire d'éliminer, ses effets secondaires.

Le phosphate de calcium est utilisé en chirurgie réparatrice grâce à son excellente biocompatibilité et à sa capacité de régénération osseuse. Cliniquement, il est fréquemment employé comme matériau injectable pour combler les pertes de substance osseuse et améliorer la fixation du matériel d'ostéosynthèse lors des fractures. La composition du ciment osseux au phosphate de calcium est similaire à celle des minéraux de l'os humain ; il est résorbable et favorise la croissance et le remodelage osseux. Le mécanisme de solidification du ciment osseux au phosphate de calcium repose sur une réaction de dissolution-hydratation-précipitation. En contrôlant le pH du milieu réactionnel, l'hydroxyapatite (HA) peut précipiter dans une plage de pH comprise entre 4,2 et 11. Dans un premier temps, la formation d'HA est principalement contrôlée par des réactions de surface ; l'HA formée entre les particules et à leur surface renforce les liaisons interparticulaires. Plus la concentration en cristaux d'HA est élevée, plus les points de contact sont nombreux et plus la résistance à la compression est importante. Lors de la phase finale de la réaction d'hydratation, la surface des particules se recouvre d'une couche d'hydroxyapatite (HA), et l'hydratation du ciment osseux au phosphate de calcium devient alors contrôlée par la diffusion. Avec la poursuite de l'hydratation, de plus en plus de particules d'HA se forment et les cristaux d'HA ainsi formés croissent. Les produits d'hydratation comblent progressivement l'espace initialement occupé par l'eau, transformant ainsi cet espace en pores capillaires irréguliers grâce aux cristaux d'HA.

La taille des pores du gel augmente tandis qu'elle diminue progressivement. Les cristaux d'HA s'alignent et se relient entre eux, renforçant ainsi la liaison entre les particules. Le ciment osseux se solidifie en une structure poreuse dense, présentant une résistance macroscopique à la polymérisation.

En pratique clinique, les fractures vertébrales traumatiques par éclatement présentent un mécanisme lésionnel particulier et surviennent généralement chez les jeunes, dont la capacité de reconstruction osseuse est plus importante. Le ciment osseux au phosphate de calcium est un traitement efficace pour ces fractures. Par ailleurs, il constitue également un substitut osseux efficace lors de la résection de tumeurs osseuses bénignes. Cependant, en raison de son long temps de solidification et du faible dégagement de chaleur pendant ce processus, le ciment osseux au phosphate de calcium présente une adhérence et une résistance relativement faibles, et est sujet à la désintégration osseuse. C'est pourquoi la recherche sur ce ciment se poursuit.

Le sulfate de calcium est le matériau alternatif le plus simple pour la réparation osseuse et est utilisé depuis plus de 100 ans, bénéficiant ainsi de la plus longue expérience clinique. Sa bonne tolérance, sa biodégradabilité et ses propriétés de conduction osseuse en ont fait un matériau alternatif important pour la transplantation osseuse autologue lors des premières recherches. La phase solide du ciment osseux à base de sulfate de calcium est principalement constituée de poudre de sulfate de calcium anhydre, tandis que la phase liquide est composée de sérum physiologique ou d'autres solutions aqueuses. Lors du mélange des phases solide et liquide, le sulfate de calcium subit une réaction d'hydratation, générant des filaments de dihydrate de sulfate de calcium en forme d'aiguilles qui s'agglomèrent et s'empilent, se solidifiant ainsi en un amas d'une forme et d'une résistance spécifiques. Cependant, en raison de sa faible activité biologique, le ciment osseux à base de sulfate de calcium ne peut former de liaisons chimiques entre les greffons de sulfate de calcium et le tissu osseux, et se dégrade rapidement. Il peut être complètement résorbé en six semaines après l'implantation, une dégradation rapide incompatible avec le processus de formation osseuse. Par conséquent, comparé au ciment osseux à base de phosphate de calcium, le développement et l'application clinique du ciment osseux à base de sulfate de calcium sont relativement limités.

De plus, de nombreuses études ont montré que les petites molécules organiques, les polymères biodégradables, les protéines, les polysaccharides, les molécules inorganiques, les biocéramiques et le bioglass peuvent améliorer efficacement les performances du ciment osseux, offrant ainsi des idées novatrices pour de nouveaux types de ciment osseux.
En résumé, le ciment osseux peut jouer un rôle important en dentisterie clinique et en orthopédie, et devrait devenir un vecteur idéal de médicaments et un matériau de substitution osseuse pour le système squelettique.

Grâce aux progrès constants de la science, de la technologie et des matériaux, on prévoit la mise au point de ciments osseux de qualité supérieure, notamment des ciments à haute résistance, injectables, résistants à l'eau et à prise rapide. L'utilisation du ciment osseux en pratique clinique se généralisera et sa valeur augmentera.