Rôle tribologique du pyrocarbone dans la régénération du cartilage articulaire. Application aux arthroplasties d’épaule

Tribological role of pyrocarbon in articular cartilage regeneration. Application in the shoulder arthroplasty

• Auteur / Autrice : Amira Hannoun
• Direction : Yves Berthier, Ana-Maria Trunfio Sfarghiu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biomécanique
• Date : Soutenance le 07/04/2020
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LaMCoS - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures (Lyon, INSA ; 2007-....) - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures [Villeurbanne] / LaMCoS
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Tribologie et Mécanique des Interfaces
• Jury : Président / Présidente : Christophe Drouet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yves Berthier, Ana-Maria Trunfio Sfarghiu, Christophe Drouet, Astrid Watrin-Pinzano, Markus Wimmer, Frédéric Mallein-Gérin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Astrid Watrin-Pinzano, Markus Wimmer

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biomatériaux

Arthroplastie

Sciences de la vie

Biomécanique

Mots clés libres

Biosciences

Biomatériaux

Cartilage articulaire

Pyrocarbone

Implants

Epaule

Arthroplastie

Culture cellulaire

Tribologie

Contrainte mécanique

Simulation numérique

Prothèse articulaire

Biosciences

Biomaterial

Articular cartilage

Pyrocarbon

Implant

Shoulder

Arthroplasty

Chondrocytes culture

Tribology

Mechanical stress

Numerical simulation

Joint prosthesis

Résumé

Les pathologies dégénératives de l’épaule sont traitées par arthroplastie totale ou hémiarthroplastie. Malgré le succès de ce traitement, le taux d’échec augmente à 22 %. Dans ce cadre, pour des patients ayant un stock osseux très limité, une nouvelle génération d'implants d'interposition a été développée. L’implant, dont l’originalité est la forme sphérique, est introduit sans fixation dans l’articulation. Il est en contact direct avec le cartilage de l’omoplate et une cavité humérale osseuse créée chirurgicalement. Bien que le chrome-cobalt (CrCo) soit le matériau le plus utilisé pour l’arthroplastie de l’épaule, le pyrocarbone (PyC) a été choisi pour le nouvel implant car il a un module d’élasticité proche de celui de l’os. Les résultats cliniques à court terme ont montré une usure minimale du cartilage et un bon remodelage osseux au contact avec l’implant. Cependant, l’origine de ces résultats n’est pas encore bien comprise. Dans ce contexte, les précédents travaux au laboratoire ont montré que le remodelage osseux côté humérus implique la synthèse d’un tissu néocartilagineux expliquant en partie les bons résultats cliniques. En revanche, ces résultats du côté de l’omoplate sont beaucoup plus controversés. Par conséquent, des interrogations se posent sur l’effet du PyC et de la géométrie de l’implant sur le remodelage des tissus adjacents. Cette thèse vise donc à comprendre l’origine de ce remodelage coté humérus et omoplate. Pour cela, notre stratégie est d’effectuer en première étape trois études parallèles pour découpler le rôle de la biologie (réponse cellulaire), du matériau (PyC vs CrCo) et de la transmission des contraintes mécaniques (triplet tribologique vivant). En deuxième étape, notre stratégie consiste à coupler les différents aspects dans un modèle in vitro s'appuyant sur les principes de la bio-ingénierie tissulaire. Pour ce faire notre méthodologie a été basée sur : 1) l’expertise d’explants in vivo (analyses histologiques et lipidomiques), 2) le développement in vitro des cultures cellulaires primaires de chondrocytes murins en contact avec les deux matériaux, 3) les simulations bio-tribologiques in vitro et 4) la conception et la validation d’un simulateur qui a permis de combiner les résultats biologiques, physicochimiques et tribologiques obtenus précédemment. Les résultats ont montré une meilleure activité cellulaire chondrogénique et ostéogénique dans le cas du PyC par rapport au CrCo. Cela a été corrélé d’une part à une meilleure adsorption des molécules lubrifiantes, les phospholipides, sur la surface du PyC et d’autre part à une transmission optimale des contraintes mécaniques due à ses propriétés et à sa géométrie. Par ailleurs, le contrôle de la transmission des contraintes mécaniques in vivo est essentiel pour garantir de bons résultats à long terme. De plus, cette thèse ouvre des perspectives vers le contrôle de cette transmission via les biomatériaux et leurs géométries afin de régénérer le cartilage.

Degenerative shoulder pathologies are currently treated by total shoulder arthroplasty (joint replacement) or hemiarthroplasty. Despite the success of this treatment, the complication rate reaches 22 % due to the complex nature of joint mechanics and limited bone stock. In this context, for young patients with degenerative glenohumeral joints, a new generation of interposition implant has been developed. The implant, designed with an original spherical shape, is inserted without fixation between the glenoid cartilage and a surgically created humeral bone cavity. Cobalt-chromium (CoCr) is the most used biomaterial in shoulder arthroplasty; however, Pyrocarbon (PyC) is selected for the new implant for its elastic modulus similar to that of cortical bone. Short-term clinical results showed minimal bone and cartilage wear and good bone remodelling in contact with the implant. However, the origin of these results is not yet well understood. In this framework, the previous study on human explants in the laboratory showed that humeral bone remodelling involves the synthesis of a neocartilaginous tissue, which partly explains the favourable clinical results. However, these results are more controversial on the scapula side because of cartilage erosion. Therefore, the effect of PyC and the geometry of the implant on the remodelling of the surrounding tissues need investigation. Thus, this thesis aims to understand the origin of tissue remodelling on the bone and cartilage side. The first step of our strategy is to carry out three parallel studies to dissociate the role of the biology (cellular response), the impact of the material (PyC vs CoCr), and the involvement of mechanical stresses transmission (living tribological triplet). The second step is to validate the results thus obtained by associating the different aspects in an in vitro model based on tissue bioengineering principles. Consequently, our methodology was based on 1) the expertise of retrieved explants; 2) the analysis of murine primary chondrocytes cultures in contact with PyC and CoCr; 3) the testing of in vitro biotribological simulations; and 4) the design and validation of a simulator allowing to combine the biological, physicochemical and tribological results obtained previously. The final results showed better chondrogenic and osteogenic cell activity in the case of PyC compared to CoCr. They were correlated on the one hand with better adsorption of the lubricating molecules, phospholipids, on the surface of PyC and the other hand with an optimal transmission of the mechanical stress due to its properties and geometry. Furthermore, the in vivo control of transmission of mechanical stresses is essential to guarantee good results in the long term. Besides, this thesis opens up fresh perspectives on the control of this transmission through biomaterials and their geometries for cartilage regeneration