Il s’agit d’analyser et de modéliser les interactions endommagement / remodelage et le comportement aux interfaces os-implants et de caractériser les systèmes biologiques à l’interface tissus hôtes / biomatériaux.
Les biomatériaux ont connu depuis leur essor dans les années 90 le développement d’une panoplie très vaste de substituts, notamment des implants dentaires, prothèses de la hanche, du genou, du coude ou du poignet, ligament ou tendon artificiel, gel d’alginate pour remplacer le cartilage (Magnenet et al., 2012) vis, plaques, broches, colles, drains, matériaux de suture. Quatre grandes classes de biomatériaux peuvent être identifiées : les métaux et les alliages métalliques (acier inoxydable, titane, cobalt, chrome, molybdène, tantale), les céramiques (alumine, zircone, hydroxyapatite), les polymères fonctionnels ou résorbables, et les matériaux d’origine naturelle (corail, chitine, fucanes, dextranes, cellulose, collagène…). Un biomatériau utilisé à des fins médicales doit respecter un cahier des charges d’ordre biologique et médical (tolérance immunitaire, absence de rejet de substances toxiques), mécanique (résistance de l’articulation de la hanche à une charge équivalente à 3 à 10 fois le poids du corps), chimiques et biochimiques (le milieu vivant est riche en eau et en substances corrosives ou oxydantes). Ainsi, l’arthroplastie de la hanche (remplacement total de la hanche) implique plusieurs disciplines de l’ingénieur, soit la mécanique, la tribologie et le génie des matériaux. L’opération consiste à remplacer la tête du fémur et le logement du pelvis par une prothèse en deux parties emboitées ; on voit ici l’importance de l’interface os-prothèse (contraintes engendrées par frottement) et de l’interface ligament-os ainsi que du choix des matériaux pour la pérennité de l’opération. Une description fine des interactions mécaniques entre un matériau prothétique et le tissu osseux environnant est un passage obligé lors de la conception des implants et de dispositifs de fixation de biosubstituts sur mesure présentant des caractéristiques optimales. En effet, ces interactions génèrent une usure associée à du remodelage en surface et dans le volume de l’os (figure ci-dessous). Il est essentiel de comprendre les mécanismes d’usure et de remodelage se produisant en surface et en volume de l’os afin de pouvoir in fine proposer des dispositifs d’insertion adaptés.
Une des questions les plus cruciales en médecine orthopédique régénérative est la conception de biosubstituts osseux et d’implants susceptibles de mimer les propriétés biomécaniques de l’os natif. Les matériaux poreux métalliques s’avèrent constituer de bons candidats pour la réparation ou le remplacement d’os endommagés car leur rigidité mécanique et leur porosité peuvent être ajustées à la demande (Wang et al., 2016). Un autre avantage des métaux poreux réside dans la présence d’une porosité suffisante pour la croissance du tissu osseux, ce qui accélère le processus d’ostéointégration. La fabrication de biosubstituts poreux métalliques constitue un champ d’investigation depuis plusieurs décades ; cependant, une des limitations des procédés existant réside dans le contrôle limité de l’architecture interne qui peut être obtenue par des procédés conventionnels. Des avancées récentes en fabrication additive apportent de nouvelles opportunités de production de structures complexes afin de satisfaire la demande croissante d’implants aux performances mécaniques sur mesure. Les méthodes d’optimisation de topologie ont simultanément connus un développement important, ce qui laisse entrevoir la possibilité de concevoir des microstructures aux propriétés mécaniques souhaitées. Pour la suite, les implants conçus par des approches d’optimisation de topologie et produites par des techniques de fabrication additive sont d’un grand intérêt (Wang et al., 2016).
Insertion osseuse d’un biosubstitut du ligament croisé antérieur (vue de gauche) – Usure de l’articulation temporo-Mandibulaire (vue de droite) (Alvarez-Areiza, 2014)