Quand impression 3D et médecine se font du genou !

fabrication de prothèse de genoux et de hanche avec une imprimante 3d

L’impression 3D est une technologie qui connait déjà un certain succès dans de nombreux secteurs industriels tels que l’architecture, l’automobile ou encore l’aérospatial. En médecine c’est la chirurgie orthopédique qui use de plus en plus de ce procédé révolutionnaire. En effet depuis quelques années déjà, l’arthroplastie qui est la chirurgie de remplacement des articulations, a bénéficié d’avancées considérables grâce à elle. Avec plus de 100 000 prothèses de hanches posées chaque année en France et 40 000 prothèses de genou, le développement d’une telle technologie dans ce secteur permettrait d’améliorer les soins de beaucoup de patients et d’en diminuer les coûts. Si en France les applications de l’impression 3D en médecine sont encore timides, à l’étranger de plus en plus d’établissements et de chirugiens adoptent ce procédé qui pour ce type de prothèses répond mieux aux contraintes que les techniques traditionnelles.

UN DISPOSITIF COMPLEXE

articulation du corps humain

Une prothèse, qu’elle soit de hanche ou de genou est un dispositif très particulier qui n’est pas constitué que d’un seul bloc. Ayant pour fonction de remplacer partiellement ou totalement une articulation, elle se compose de plusieurs pièces qui vont glisser et frictionner entre elles afin de restituer au mieux la mobilité originale. La technologie a fait beaucoup de progrès dans ce domaine au cours de ces dernières années et c’est devenu aujourd’hui une procédure très courante.

Toutefois, les implants ont toujours été conçus pour une forme standard, avec un nombre limité de tailles et de formes. De ce fait les chirurgiens doivent faire des compromis qui peuvent nuire aux patients. C’est précisément sur ce point que l’impression peut jouer un rôle important et ce grâce à la fabrication de prothèses personnalisées. Ce n’est plus le patient qui s’adapte à l’implant mais l’inverse… Afin de mieux comprendre l’utilité et la complexité de ces prothèses, en préambule quelques explications sont nécessaires.

PROTHESE DE HANCHE

les différents parties d'un implant de hanche

La pose d’une prothèse de hanche se justifie par divers pathologies. La cause la plus répandue est l’arthrose qui ne faut pas confondre avec l’arthrite. Celle-ci correspond à l’usure des cartilages articulaires, les causes sont diverses : vieillesse (courante chez les + de 65  ans), surpoids, sport, mauvais alignement… C’est cette usure qui va entrainer par la suite une inflammation.

L’arthrite c’est en quelque sorte l’inverse. Il s’agit d’une inflammation qui peut entrainer par la suite une usure articulaire. Là encore les causes sont diverses : présence de sel urique dans le liquide synovial (la fameuse goutte), maladie auto-immune, infection…

Cette prothèse n’est pas monolithique, elle se compose de trois parties:

1. Une tige fémorale qui est fixé sur le fémur
2.  Une cotyle qui est fixé sur le bassin
3.  Une tête fémorale qui relie ces deux parties

La tête fémorale et la cotyle constituent ce que l’on appel un couple de frottement. Comme son nom l’indique, ses deux pièces vont donc venir glisser et frotter l’une sur l’autre. De ce fait il est important que l’implant en question corresponde le plus possible à l’articulation originale afin de restituer au mieux la mobilité au patient. Evidemment d’une personne à une autre chaque hanche est différente, l’âge, le sexe, la structure osseuse et d’autres facteurs influant sur sa morphologie.

Classiquement on utilise des prothèses off the-shelf c’est à dire génériques qui correspondent plus au moins au patient. La prothèse n’étant par conséquent pas une réplique exacte de l’articulation originale cela peut entraîner divers complications.  Ainsi il peut y avoir des douleurs post opératoires, des inégalités de longueurs des membres inférieurs, ou encore le mauvais positionnement des pièces prothéiques peut provoquer des luxations.

L’impression 3D peut diminuer en grande partie ce genre de risques et apporter plus de confort au patient, la pose de prothèse pour certaines pathologies n’étant pas toujours possible. C’est d’ailleurs ce qui c’est passé dans l’exemple qui suit… Mayo Clinic  qui est un établissement de soins américain mais aussi une organisation de recherches à la notoriété internationale, a fait des essais très concluants à ce sujet.

C’est une américaine du nom de Brook Hayes qui a bénéficié pour la première fois de l’impression 3D pour ce genre de pathologie. De petite taille et pesant 30 kg, celle-ci souffrait d’une arthrite sévère de ses hanches provoquée par une dysplasie spondylo, une forme de nanisme. De ce fait, une arthroplastie aurait été normalement préconisée, mais avec cette mal formation cela aurait nécessité une opération beaucoup trop complexe. En effet, pour lui concevoir une prothèse de hanche sur mesure, il aurait fallu de nombreuses interventions chirurgicales pour affiner et adapter le nouvel implant. Le professeur Christopher Beauchamp a pu résoudre cette problématique en concevant une prothèse sur mesure à l’aide d’une imprimante 3D. Un chirurgien orthopédiste du nom de Mark Spangehl était en charge de l’opération.

fortus 250mc

En utilisant la tomodensitométrie (CT Scan), les médecins ont ainsi obtenu une image 3D de la hanche de Brook Hayes, pour recréer une prothèse parfaitement adaptée à sa morphologie. C’est une imprimante 3D Fortus 250mc de Stratasys qui a été choisie pour imprimer la pièce. Il s’agit d’un modèle professionnel utilisant la technique du FDM (dépôt de matière fondue), dans ce cas précis c’est un plastique ABS qui a été utilisé comme matière première. Alors que Brook Hayes souffrait de terribles douleurs depuis des années celle-ci témoignait : « en une seule opération j’étais sur pied, je pouvais enfin marcher et monter des escaliers sans douleur pour la première fois depuis des années. » Le chirurgien pense que la durée de vie l’implant devrait être plus élevée que la moyenne du fait d’une meilleure friction entre ses éléments.

PROTHESE DE GENOU

les pièces qui composent un implant de genou

La pose de cette prothèse se fait pour les mêmes raisons pathologiques que la prothèse de hanche. Celle-ci peut être unicompartimentaire c’est-à-dire remplaçant l’une des trois parties qui compose le genou ou bien totale lorsqu’il s’agit de remplacer toute l’articulation du genou.

La totale se comporte de quatre pièces :

– Un bouclier fémoral
– Un patin
– Une tige tibiale
– Un composant rotulien

Le bouclier et la tige sont des composants habituellement en cobalt ou en chrome destinée à recouvrir le fémur et le tibia. Le composant rotulien est une pièce de plastique fabriquée dans un polyéthylène de très haute densité qui permet au fémur et au tibia de glisser l’un sur l’autre. Les deux implants qui remplacent le fémur et le tibia sont fixés sur l’os avec des systèmes qui peuvent être renforcés par une résine acrylique.

Un genou étant une surface non emboitée maintenue par deux articulations, celui-ci peut faire des mouvements très différents. Il s’agit d’une des articulations les plus complexes et élaborées de notre corps, du fait de sa souplesse, de sa résistance et des mouvements complexe de glissement auquel elle est soumise : flexion-extension et rotation axiale.

technologie i-total G2 de I Conformis

L’articulation du genou est donc une articulation soumise à des contraintes de mouvements importantes mais aussi de poids car elle doit supporter celui de notre corps. De ce fait, la pose d’une prothèse à cet endroit doit répondre à beaucoup d’exigences et de critères. Face à ce constat, ConforMIS une société privée américaine de matériel médical s’est tournée vers l’impression 3D. Fondée en 2004, il s’agit d’une entreprise extrêmement dynamique sur le plan orthopédique et toujours à l’affut des techniques de pointes. C’est ainsi que ConforMIS a crée iTotal G2 (i signifiant individuel), une prothèse totale de genou imprimée en 3D avec un matériau biocompatible.

Grâce à une technologie brevetée appelée iFit ConforMIS, les données issus d’un Scan CT (imagerie médicale de dernier cri) de l’ossature du patient, permet de modéliser en 3D des implants uniques correspondant parfaitement à sa morphologie. Ses mêmes données sont utilisées par le chirurgien pour déterminer comment placer exactement l’implant du patient. Cela permet de réduire à la fois le temps opératoire et de minimiser le nombre de découpes de l’os.

L’un des premiers patients à avoir bénéficié de ce nouvel implant aux Etats-Unis est un sexagénaire américain du nom de Martin Meyers. Celui-ci souffrant d’une arthrose a pu donc se faire poser une prothèse sur mesure conçue avec une imprimante 3D.

A l’origine de cette opération, le Dr Gregory Martin, un chirurgien orthopédiste au Centre médical JFK à Palm Beach County déclarait : « Elle s’inscrit comme un prolongement de l’anatomie du patient ». « Cela se joue à quelques millimètres, en trop ou en moins cela peut engendrer des douleurs importantes chez le patient. Les dimensions parfaites de ces implants offrent au patient plus de confort et une sensation plus naturelle. »  Martin Meyers a passé six semaines de convalescence et est maintenant de retour sur les terrains de golf. Il joue et fait son swing sans aucune douleur. « Je ne sens rien du tout, c’est comme si je n’avais rien là-dedans. » disait-il.

Le nombre de médecins effectuant des implants du genou imprimés en 3D est croissant aux USA. En fabriquant des implants conçus pour correspondre à la taille et la forme unique du membre de chaque patient, ConforMIS s’attaque aux principales causes d’insatisfaction de ces derniers contraints habituellement à porter des prothèses génériques. Celles ci provoquent souvent des douleurs qui sont consécutives au mauvais positionnement de l’implant et à sa mauvaise cinématique.

De plus l’entreprise propose un service unique pour ses clients. Un petit kit stérile qui contient les implants et des instruments sur-mesure et à usage unique est livré au dernier moment pour l’opération. Il en résulte une gestion réduite des stocks de l’hôpital, des coûts de stérilisation inférieurs et une mise en place plus rapide en salle d’opération. Une manière donc très intéressante de réduire les coûts d’un hôpital, surtout quand on connait le nombre de prothèses posées chaque année. Une méthode qui contraste vraiment avec les implants traditionnels qui sont stockés localement à l’hôpital et pour lesquels ont utilise six à huit plateaux d’instruments qui doivent être re-stérilisés avant chaque intervention.

L’impression 3D offre donc de réelles perspectives pour l’orthopédie. Son coût, sa simplicité de fabrication et sa rapidité devrait séduire de plus en plus de praticiens à l’avenir. Une technique qui avait d’ailleurs déjà fait ses preuves dans le domaine de la chirurgie réparatrice.

En 2012, un soldat américain blessé par balle au genou, avait pu bénéficier de cette technologie. Le Charing Cross Hospital de Londres avait conçu une prothèse avec une imprimante 3D professionnelle Objet Eden 250 de Stratasys qui lui avait été fournie par OPS. Une première mondiale à l’époque, Justin Cobb le chirurgien en charge de l’opération témoignait : « Cette opération en utilisant l’impression 3D est une première mondiale pour la chirurgie reconstructrice, il s’agit d’une toute nouvelle approche dans notre manière d’opérer. » « C’est vraiment le début d’une nouvelle ère dans l’ingénierie. »

  • L’imprimante Fortus 250 MC utilisée par Mayo Clinic coûte environ 38 000 € et l’Objet Eden250 12 000 €.