Interface os-implant titane et ingénierie tissulaire

par Arnaud Dubory

Thèse de doctorat en Biologie cellulaire et moléculaire

Soutenue le 26-09-2018

à Paris Est , dans le cadre de Ecole doctorale Sciences de la Vie et de la Santé (Créteil ; 2015-....) , en partenariat avec Institut Mondor de Recherche Biomédicale (Créteil) (laboratoire) et de IMRB - Institut Mondor de Recherche Biomédicale (laboratoire) .

Le président du jury était Philippe Hernigou.

Le jury était composé de Charles-Henri Flouzat Lachaniette, Hélène Rouard, Guillaume Haïat, Henri Migaud, Thomas Grégory.

Les rapporteurs étaient Thierry Bégué, Philippe Rosset.


  • Résumé

    Introduction : Le titane, à la fois utilisé comme moyen de fixation d’un implant devant ses propriétés biomécaniques proches de l’os et comme moyen d’ostéointégration a pris une place prépondérante en orthopédie. L’ostéointégration d’un implant titane (IT) essentielle pour la pérennité de ce dernier, dépend de 2 phases : une phase primaire MECANIQUE correspondant à l’impaction ou tenue primaire de l’IT et une phase secondaire BIOLOGIQUE correspondant à la colonisation de l’IT par le tissu osseux.L’objectif de ce travail fut d’évaluer et d’améliorer lors de ces deux phases la stabilité et l’ostéointégration de l’implant titane :(1) Évaluer la tenue primaire des tiges fémorales en titane non cimentées par l’analyse de l’impact correspondant à la mesure de l’impact au cours du temps.(2) Évaluer si la quantité de CSM contenues dans l’aile iliaque est corrélée à la survie sans reprise de des implants acétabulaires impactés dans le cadre de l’ostéonécrose aseptique de la tête fémorale.(3) Améliorer l’ostéointégration des IT par les méthodes de thérapie cellulaire en étudiant in vitro la survie et la division des cellules stromales mésenchymateuses humaines (CSM) osseuses au contact de cages lombaires inter-somatiques recouvertes d’alliage titane rugueux.Matériels et Méthodes: L’évaluation de la tenue primaire des tiges fémorales en titane sans ciment selon l’analyse de l’impact a été réalisée à l’aide d’un marteau muni d’un capteur de force piézo-électrique sur 20 sujets anatomiques soit 40 hanches. On a comparé le nombre de coups de marteau pour obtenir l’impaction idéale de la prothèse selon 3 méthodes d’évaluation différentes : le nombre de coups nécessaires pour le chirurgien (Nchir), le nombre de coups nécessaires par l’analyse vidéo de l’enfoncement de la tige dans le fémur (Nvid) et le nombre de coups nécessaires par l’analyse de l’impact (NI).Pour savoir si la quantité de CSMs dans la crête iliaque pouvait refléter l’ostéointégration des implants acétabulaires impactées et le risque de reprise chirurgicale, on a comparé le taux de CSMs mesuré lors de la réalisation d’une ponction concentration et réinjection dans la zone d’ostéonécrose et l’évolution clinico-radiographique des implants acétabulaires mis en place par la suite pour ces même patients (n=90) qui ont eu une arthroplastie totale de hanche in fine. Le recul moyen était de 15 ans.La survie cellulaire des CSM osseuses humaines a été évaluée sur des cages intersomatiques lombaires recouvertes de titane. Trois groupes (n=5) furent constitués : un groupe contrôle, un groupe cages avec surface titane, un groupe cage sans titane. Sur chaque implant, 1 microlitre contenant 106 CSM osseuses humaines a été mis en culture. L’analyse de la survie cellulaire, de la prolifération cellulaire et de l’expression de gènes de différenciation ostéoblastique ont été réalisés et comparés.Résultats : Concernant la première étude sur l’intérêt de l’analyse de l’impact pour la tenue de la tige fémorale, la différence entre NI, Nchir et Nvid était inférieure ou égale à 3 pour plus de 85% des configurations réalisées. Concernant la deuxième étude, il a été mis en évidence qu’un faible nombre de CSM dans la crête iliaque était un facteur de risque de révision chirurgicale chez les patients traités par un implant acétabulaire sans ciment. La troisième étude a montré que les CSMs pouvaient survivre, se développer pendant 96 heures et exprimer des gènes de différenciation ostéoblastique de manière identique sur les cages avec ou sans titane.Conclusion : L’analyse de l’impact permet de donner une information objective sur la tenue primaire de la tige fémorale en titane et impactée. Le titane est aussi un milieu favorisé de survie et de prolifération des CSM osseuses prédestinées à devenir des cellules ostéoformatrices surtout qu’un faible nombre de CSM semble être un risque d’échec d’ostéointégration des implants acétabulaires sans ciment.

  • Titre traduit

    Titanium implant-bone Interface and Tissue Engineering


  • Résumé

    Introduction: Titanium, both used as a mean of fixing an implant to its biomechanical properties close to the bone and as a mean of osseointegration has taken a prominent place. The implant stability is essential for the durability of a titanium implant (TI); it depends on 2 phases: a primary phase, MECHANICAL, corresponding to the impaction or primary holding of the TI and a secondary phase, BIOLOGICAL, corresponding to the colonization of TI by bone tissue.The objective of this work was to evaluate and improve during these two phases the osseointegration of the titanium implant:(1) To evaluate the primary stability of uncemented titanium femoral stems by impact analysis corresponding to the measurement of impact over time.(2) To evaluate whether the amount of mesenchymal stromal cells (MSCs) contained in the iliac crest is correlated with the non-recovery survival of acetabular implants impacted in a context of aseptic osteonecrosis of the femoral head.(3) To improve the osseointegration of TI by cell therapy methods in vitro by studying the survival and division of human MSCs in contact with interbody lumbar cages coated with rough titanium alloy.Methods: The evaluation of the primary stability of cementless titanium femoral stems according to the impact analysis was carried out using a hammer equipped with a piezoelectric force sensor on 20 anatomical subjects, i.e. 40 hips. The number of hammer strokes was compared to obtain the ideal impaction of the prosthesis according to 3 different evaluation methods: number of impacts required by the surgeon (Nsurg), number of impacts required by the video analysis of the depression of the stem in the femur (Nvid), numbers of impacts needed by the impact analysis (Ni).To determine whether the amount of MSCs in the iliac crest could reflect the osseointegration of impacted acetabular implants and the risk of surgical revision. The rate of MSCs measured when performing a surgical cell therapy for aseptic osteonecrosis of the femoral head and the clinical and radiographic outcome of acetabular implants subsequently established for these same patients (n = 90), who had total hip arthroplasty in fine were compared. The mean follow-up was 15 years.The cell survival of bone marrow-derived MSCs was evaluated on lumbar interbody cages coated with titanium. Three groups (n = 5) were formed: a control group, a cage group with titanium surface, a cage group without titanium. On each implant, 1 microliter containing 106 human bone MSCs was cultured. The analysis of cell survival, cell proliferation and expression of osteoblastic genes were performed and compared.Results: Regarding the impact analysis of the cementless femoral stem impaction, the difference between NI, Nchir and Nvid was lower than 3 for more than 85% of the configurations performed.For the second study, a small number of MSCs in the iliac crest was a risk factor for surgical revision in patients treated with a cementless acetabular implant.The third study showed that MSCs could grow until 96 hours and could express osteoblastics genes 21 days after cell seed. No difference between PEEK cage and Titanium-coated PEEK has been found.Conclusion: The impact analysis provides objective data on the primary holding of the titanium impacted femoral stem. Titanium is also a favored biomaterial for the survival and proliferation of bone marrow-derived MSC predestined to become osteforming cells, especially since a small number of MSCs seems to be a risk of failure of osseointegration of cementless acetabular implants.


Il est disponible au sein de la bibliothèque de l'établissement de soutenance.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe

Où se trouve cette thèse\u00a0?

  • Bibliothèque : Communautés d’Universités et d'Etablissements Université Paris-Est. Bibliothèque universitaire.
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.