Modélisation de l'interface os-implant: de la caractérisation à la stimulation

par Yoann Heriveaux

Projet de thèse en Sciences de l'ingénieur

Sous la direction de Guillaume Haiat.

Thèses en préparation à Paris Est , dans le cadre de École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....) , en partenariat avec MSME - Laboratoire de Modélisation et Simulation Multi Echelle (laboratoire) et de Biomécanique (BIOMECA) (equipe de recherche) depuis le 23-02-2017 .


  • Résumé

    Du fait de l'augmentation de l'espérance de vie ainsi que de la fréquence de certains types d'accidents, le nombre d'opérations chirurgicales nécessitant une pose d'implant a récemment connu une forte hausse, notamment dans les secteurs orthopédique et dentaire. Bien que ces opérations soient à présent réalisées de façon routinière, les risques d'échec subsistent, et leurs conséquences peuvent potentiellement être dramatiques pour le patient. Ces échecs sont généralement liés à une mauvaise qualité de remodelage osseux à l'interface avec l'implant. Afin de limiter ceux-ci et d'accélérer le processus de rétablissement du patient, il pourrait donc être intéressant de stimuler l'interface os-implant afin de promouvoir le phénomène d'ostéointégration. Dans ce but, l'utilisation d'ondes ultrasonores pulsées à faible intensité (LIPUS : Low Intensity Pulsed UltraSound) a déjà été évoquée dans la littérature, et certains travaux montrent leur efficacité à favoriser la régénération osseuse. Dans le cadre de ce projet, on cherchera donc à établir une méthode de stimulation ultrasonore afin de favoriser l'ostéointégration d'implants. En effet, la plupart des études de stimulation LIPUS menées jusqu'à présent portaient sur la régénération osseuse au niveau de fractures et non d'implants. Aussi, il serait intéressant de considérer à présent ce second cas. Deux grands axes seront étudiés en parallèle au cours de ce projet : d'une part, la réalisation d'études in vivo sur des animaux, et d'autre part, la modélisation et simulation numérique d'un dispositif de stimulation ultrasonore. Les études in vivo auront pour but de vérifier l'impact des ondes LIPUS sur l'ostéointégration de l'implant, de considérer l'influence de certains paramètres ainsi que de réfléchir de façon pratique au positionnement de l'appareillage. Pour cela, il est prévu de réaliser certaines expérimentations sur des brebis. Au sein d'un premier groupe d'individus, un dispositif générera des ondes LIPUS au niveau de l'interface os-implant, alors qu'un deuxième groupe fera office de témoin. Quelques individus seront alors sacrifiés à intervalles de temps donnés afin de visualiser l'évolution temporelle de l'ostéointégration de l'implant. La comparaison d'analyses histologiques menées sur les 2 groupes pourra alors mettre en évidence le phénomène de régénération osseuse dans chacun des cas, et donc de vérifier l'éventuel impact des ondes ultrasonores. Certains paramètres tels que la fréquence et l'intensité des ondes, ou encore la durée quotidienne durant laquelle les ondes seront administrées, pourront faire l'objet d'études approfondies. Le travail de simulation numérique sera basé sur l'utilisation d'un modèle représentant l'interface os-implant, lequel sera stimulé par une onde LIPUS. L'objectif sera alors d'observer et de mieux comprendre l'impact de cette stimulation sur les phénomènes d'ostéointégration. Le modèle final devra notamment tenir compte de la rugosité de l'implant, de la non-linéarité de l'interface, ou encore des propriétés biomécaniques de l'os néoformé qui apparaitra au cours de l'ostéointégration de l'implant. Différents phénomènes, comme l'adhésion entre l'implant et l'os, pourront également être envisagés. A partir d'études paramétriques, il sera alors possible d'optimiser les caractéristiques des ondes LIPUS envoyées, ainsi que de déterminer la meilleure configuration possible de l'appareillage.

  • Titre traduit

    Modeling of the bone-implant interface : from characterization to stimulation


  • Résumé

    The number of surgical operations requiring implant placement has recently increased significantly, particularly in the orthopedic and dental sectors, mainly because of the increase of life expectancy of certain types of accidents. Although these operations are now performed routinely, the risks of failure remain, and their consequences can be dramatic for the patient. These failures are generally related to poor quality of bone remodeling at the interface with the implant. In order to limit these risks and to accelerate the patient's recovery process, it may be interesting to stimulate the bone-implant interface in order to promote osseointegration. The use of low intensity pulse ultrasound (LIPUS) has already been mentioned in the literature for this purpose, and some studies show their effectiveness in promoting bone regeneration. As part of this project, an ultrasonic stimulation method will be sought to promote osseointegration of implants. Indeed, most of the LIPUS stimulation studies have so far focused on bone regeneration at fractures and not on implants. It would now be interesting to consider this second case. Two main axes will be studied during this project: on the one hand, the realization of in vivo studies on animals, and on the other hand, the modeling and numerical simulation of an ultrasound stimulation device. The aim of the in vivo studies is to check the impact of LIPUS waves on osseointegration of the implant, and to consider the influence of certain parameters and the positioning of the device in a practical way. For this purpose, experiments on ewes will be carried out. Within a first group of individuals, a device will generate LIPUS waves at the bone-implant interface, while a second group will act as a control. Some individuals will then be sacrificed at given time intervals in order to visualize the temporal evolution of osseointegration of the implant. The comparison of histological analyzes carried out on the two groups will show the phenomenon of bone regeneration in each case, and therefore to check the possible impact of the ultrasonic waves. Certain parameters, such as the frequency and intensity of the waves, or the daily duration during which the waves are to be administered, will be studied in depth. The numerical simulation will be based on the use of a model representing the bone-implant interface, which will be stimulated by a LIPUS wave. The objective will then be to observe and better understand the impact of this stimulation on the phenomena of osseointegration. The final model should take into account the roughness of the implant, the non-linearity of the interface, or biomechanical properties of the newly formed bone that will appear during the osseointegration of the implant. Different phenomena, such as adhesion between the implant and the bone, may also be considered. From parametric studies, it will then be possible to optimize the characteristics of the LIPUS waves sent, as well as to determine the best possible configuration of the equipment.