Applications cliniques du tantale poreux

Le tantale poreux est devenu un matériau miraculeux dans le domaine de l'ingénierie biomédicale en raison de son excellente biocompatibilité, de sa résistance à la corrosion et de ses propriétés qui correspondent à la mécanique de l'os naturel. Il a d'abord été synthétisé pour l'orthopédie, puis son utilisation s'est étendue à la dentisterie, aux dispositifs cardiovasculaires et à la médecine régénérative expérimentale. Jetons un coup d'œil sur ses applications expérimentales et cliniques.

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Pourquoi le tantale poreux ?

Le tantale est un métal réfractaire qui présente de nombreux avantages lorsqu'il est utilisé comme biomatériau. Le tantale poreux est particulièrement recherché pour son ostéointégration et sa stabilité biologique à long terme.

Le tantale poreux est fabriqué en déposant du tantale sur un échafaudage, créant ainsi une structure interconnectée très uniforme, idéale pour les implants médicaux. La mousse de tantale, produite par frittage ou par des méthodes de support spatial, présente une structure de pores moins régulière et est généralement utilisée dans des applications structurelles ou expérimentales où une précision moindre est acceptable.

Le tantale poreux possède plusieurs propriétés importantes qui conviennent bien aux applications biomédicales.

• Une porosité élevée, jusqu'à 80 %, pour la croissance des tissus et la vascularisation.
• Son module d'élasticité est assez similaire à celui de l'os spongieux, ce qui minimise la protection contre les contraintes et favorise la transmission naturelle de la charge.
• Le tantale poreux présente également une résistance supérieure à la corrosion, restant stable et inerte dans des conditions physiologiques.
• Son coefficient de friction élevé lui confère également une stabilité mécanique initiale maximale lors de l'implantation.

Toutes ces caractéristiques font du tantale poreux un matériau particulièrement adapté à la fabrication d'implants porteurs et d'échafaudages pour l'ingénierie tissulaire.

Pour en savoir plus : Tantale : Propriétés et applications

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1. Implants orthopédiques

Le tantale poreux est largement utilisé en chirurgie orthopédique reconstructive, en particulier chez les patients présentant une perte osseuse importante ou une mauvaise qualité d'os.

--Arthroplastie de la hanche et du genou avec du tantale poreux

Le tantale poreux est un matériau efficace pour les arthroplasties exigeantes de la hanche et du genou. La stabilité mécanique associée à un potentiel de croissance osseuse élevé est particulièrement bénéfique pour les arthroplasties totales de la hanche (THA) et du genou.

Dans les reprises d'arthroplastie totale de la hanche, les implants modulaires et les cupules acétabulaires en tantale poreux sont de plus en plus utilisés pour traiter les pertes osseuses importantes et les défauts acétabulaires complexes. Ces implants ont une surface très poreuse qui permet une croissance osseuse rapide et, en raison de leur coefficient de friction élevé, ils permettent une fixation primaire solide.

Un article clinique de référence de Weeden et Schmidt (2008) a vérifié 98 % de survie à cinq ans chez les personnes ayant reçu des cotyles en tantale poreux dans le cadre d'une reprise d'arthroplastie. L'article a examiné 43 révisions acétabulaires difficiles, dont 33 défauts de type 3A de Paprosky et 10 défauts de type 3B avec une perte osseuse hôte sévère et une discontinuité pelvienne. Pour 26 d'entre elles, on a eu recours à des compléments modulaires en tantale pour compléter la coque acétabulaire. Après un suivi moyen de 2,8 ans, 42 des 43 composants sont restés stables et il y a eu un échec solitaire dû à un descellement septique. [3]

Dans l'arthroplastie totale du genou, les cônes en tantale poreux sont couramment utilisés dans la gestion des grands défauts osseux métaphysaires, offrant à la fois une fixation biologique et mécanique. Les cônes permettent de restaurer le stock osseux et d'établir une base solide pour la fixation de l'implant en cas de perte osseuse importante.

--Cages d'arthrodèse spinale

Le tantale a montré un énorme potentiel dans la chirurgie de fusion vertébrale, en particulier en tant que cages intersomatiques pour la procédure de fusion intersomatique lombaire transforaminale (TLIF). Les cages en tantale sont conçues pour optimiser la stabilité de la colonne vertébrale et favoriser l'intégration osseuse tout en réduisant le risque d'affaissement de l'implant grâce à la compatibilité mécanique avec l'os contigu.

Sur le plan clinique, l'ostéointégration des cages en tantale s'est avérée supérieure à celle des matériaux traditionnels tels que le polyétheréthercétone (PEEK). Une évaluation rétrospective de 40 patients ayant subi une arthroplastie totale a permis d'évaluer les résultats, notamment le soulagement des symptômes, la reprise des activités et l'union radiographique de la fusion. Alors que les deux groupes, cage métallique et cage en PEEK, ont montré une amélioration similaire de la fonction, il y avait des différences notables dans la réponse osseuse et les résultats de la fusion. [4]

Après un an de suivi, une ostéolyse est apparue dans 50 % des cas pour la cage en PEEK, contre seulement 10 % pour la cage en métal. En outre, 40 % des cas de cages métalliques ont présenté une fusion, ce qui est nettement supérieur aux 15 % observés avec les cages en PEEK. Ces résultats indiquent la nature ostéoinductrice du tantale, ainsi qu'une biocompatibilité et une compétence mécanique élevées.

2. Implants dentaires

La biocompatibilité et la capacité d'ostéointégration du tantale sont exploitées dans les implants dentaires pour les patients dont la qualité osseuse est médiocre ou dont les implants ont précédemment échoué. Son utilisation est associée à une réduction du temps de cicatrisation et à une meilleure fixation à long terme par rapport aux implants en titane standard.

Une étude préclinique a examiné les performances des implants dentaires en métal trabéculaire (TM) de tantale par rapport aux implants traditionnels à vis en titane (TSV), sur un modèle de condyle fémoral de lapin. Dans cette étude, 20 implants (10 TM et 10 TSV) ont été insérés au hasard dans 10 lapins blancs de Nouvelle-Zélande. Après une phase de cicatrisation de 8 semaines, les implants ont été évalués par tomographie assistée par ordinateur (micro-CT), histologie et histomorphométrie. [5]

Les résultats ont montré que les implants TM se comportaient beaucoup mieux que les implants TSV en termes de contact os-implant (BIC) et de volume osseux (BV) dans la zone d'intérêt. Les implants TM ont enregistré un BIC de 57,9 % ± 6,5, contre 47,6 % ± 8 pour les implants TSV. De même, le BV était de 57 % ± 7,3 pour les implants TM et de 46,4 % ± 7,4 pour les TSV. L'évaluation micro-CT a également confirmé les résultats, le groupe TM mesurant un pourcentage de volume osseux de 89,1 % ± 8,7 contre 79,1 % ± 8,6 pour le groupe TSV.

3. Reconstruction crânio-maxillo-faciale

Les plaques et les treillis en tantale poreux sont utilisés dans les reconstructions faciales complexes, avec une conformité esthétique et une stabilité mécanique. La structure ouverte des pores permet l'intégration des tissus mous et réduit le risque d'infection.

Le tantale offre une capacité ostéogénique accrue par rapport aux matériaux traditionnels tels que le Ti6Al4V, et est donc particulièrement utile pour stimuler la repousse osseuse dans les régions complexes de la mâchoire et du visage.

Afin de répondre à la nature très personnalisée des défauts de la CMF, la technologie de l'impression 3D a été utilisée pour produire des implants poreux en tantale spécifiques aux patients. Une étude récente a examiné des échafaudages de tantale imprimés en 3D avec des modifications de surface nano-topographiques préparées par traitement hydrothermique. Cette ingénierie de surface a permis de promouvoir la bioactivité de l'échafaudage en favorisant l'adhésion des ostéoblastes et en déclenchant la différenciation ostéogénique des cellules souches de la moelle osseuse (BMSC). [6]

Conclusion

Le tantale poreux a eu un impact considérable sur la pratique de la médecine, en particulier sur la chirurgie orthopédique et dentaire. Grâce à de nouveaux progrès en matière de traitement et de personnalisation, le tantale poreux devrait rester la pierre angulaire des biomatériaux implantables de demain. Pour d'autres produits à base de tantale et une assistance technique, veuillez consulter le site de Stanford Advanced Materials (SAM).

Référence :

[1] Mohandas, Gokhuldass & Oskolkov, Nikita & Mcmahon, Michael & Walczak, Piotr & Janowski, Miroslaw. (2014). Nanoparticules poreuses de tantale et d'oxyde de tantale pour la médecine régénérative. Acta neurobiologiae experimentalis. 74. 188-96. 10.55782/ane-2014-1984.

[2] Wang X, Zhou K, Li Y, Xie H, Wang B. Preparation, modification, and clinical application of porous tantalum scaffolds. Front Bioeng Biotechnol. 2023 Apr 4;11:1127939. doi : 10.3389/fbioe.2023.1127939. PMID : 37082213 ; PMCID : PMC10110962.

[3] Steven H. Weeden, Robert H. Schmidt, The Use of Tantalum Porous Metal Implants for Paprosky 3A and 3B Defects, The Journal of Arthroplasty, Volume 22, Issue 6, Supplement, 2007, Pages 151-155, ISSN 0883-5403.

[4] Cuzzocrea F, Ivone A, Jannelli E, Fioruzzi A, Ferranti E, Vanelli R, Benazzo F. PEEK versus metal cages in posterior lumbar interbody fusion : a clinical and radiological comparative study. Musculoskelet Surg. 2019 Dec;103(3):237-241. doi : 10.1007/s12306-018-0580-6. Epub 2018 Dec 10. PMID : 30536223.

[5] Al Deeb M, Aldosari AA, Anil S. Osseointegration of Tantalum Trabecular Metal in Titanium Dental Implants : Histological and Micro-CT Study. J Funct Biomater. 2023 Jul 6;14(7):355. doi : 10.3390/jfb14070355. PMID : 37504850 ; PMCID : PMC10382015.

[6] Zhang C, Zhou Z, Liu N, Chen J, Wu J, Zhang Y, Lin K, Zhang S. Osteogenic differentiation of 3D-printed porous tantalum with nano-topographic modification for repairing craniofacial bone defects. Front Bioeng Biotechnol. 2023 Aug 21;11:1258030. doi : 10.3389/fbioe.2023.1258030. PMID : 37671184 ; PMCID : PMC10475942.