Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur STI, Section de génie mécanique, STI - Section de génie mécanique STI-SGM

A calcium phosphate implant with controlled macroporosity for anterior L5-S1 interbody fusion

Charrière, Eric ; Zysset, Philippe (Dir.)

Thèse sciences techniques Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2002 ; no 2507.

Ajouter à la liste personnelle
    Summary
    In the United States approximately 50 million people suffer from low back pain. In the 20-50 years age group, this is the most important and expensive health care problem. The causes of low back pain are various. A herniated disk or spinal stenosis may trap nerve roots exiting the spinal column. Spondylolisthesis or degenerative disorders affecting the facet joints may cause some spinal units to become unstable. Although the majority of patients suffering back pain respond well to conservative treatments such as medication and physical therapy, a fraction of them will require spinal surgery. Different methods of stabilization exist, such as posterior, posterolateral and interbody fusion. Titanium screws and rods can be used for a posterior or posterolateral stabilization, with or without bone graft. Metallic cages or screws can also be used for a posterior lumbar interbody fusion (PLIF) or an anterior lumbar interbody fusion (ALIF), with or without bone graft inside the implant. A common drawback and risks to all of these implants is that they are made out of metal, with all the potential problems engendered by these materials. The present dissertation work aims at designing an improved anterior lumbar interbody fusion (ALIF) implant for the L5-S1 segment. The global objective of this thesis is to develop an alternative biomaterial that can replace at the same time the metallic cage and the bone graft. It must be biocompatible, bioresorbable, osteoinductive and strong enough to resist the high local stresses. The implant made of this biomaterial should also present an appropriate macroporosity to allow the blood vessels and bone cells to colonize quickly the implant. The implant should then be degraded in a controlled fashion by fragmenting over a defined period of time and releasing non-toxic ions which can be metabolized or excreted by the body. If this could be achieved, then no more graft would be necessary and the synthetic material would disappear with time allowing a complete bone fusion. In order to find an answer to this problem, five studies were defined: An anthropometric study of L5-S1 and the available space for insertion of an implant (Chapter 2). A complete mechanical characterization of two different phosphocalcic cements (Chapter 3). A new method to manufacture hydroxyapatite scaffolds with controlled porosity (Chapter 4). A comparison between an unconstrained and a partially constrained system for in vitro biomechanical testing of the L5-S1 functional spinal unit (Chapter 5). A numerical study using a finite element model of the L5-S1 functional spinal unit, validated with experimental data (Chapter 6). Our study provides the necessary geometrical parameters for the design of an ALIF cage to treat patients with low back pain (Chapter 2). Compression, tension and torsion tests together with the use of a conewise linear elasticity model and a Tsai-Wu failure criterion provide an exhaustive characterization of both elastic and failure properties of a brushite and a hydroxyapatite cement (Chapter 3). A new method to manufacture hydroxyapatite scaffolds with controlled porosity and predictable elastic properties is developed. Since precipitated hydroxyapatite cements are biocompatible, biodegradable and osteoconductive, the manufactured scaffold represents a biomaterial of choice for bone reconstruction in weight bearing areas dominated by compressive stresses (Chapter 4). According to our findings, particular care should be given when quantifying and comparing the kinematics and the flexibility curves of the intact or instrumented spine with experimental set-ups of various degrees of constraints for axial rotation and to an even larger extent for lateral bending (Chapter 5). A three-dimensional finite element model of the L5-S1 FSU is presented. The kinematics of the segment is found to be similar between numerical and experimental results for all major motions (Chapter 6). Following the application of the numerical model to the developed ALIF implant with or without posterior stabilisation, two applications for lumbar fusion are envisaged (Chapter 7). First, this macroporous scaffold can be used as an ALIF implant in conjunction with a posterior stabilization. Main advantages compared to current solutions are that no more bone graft is necessary and that no more metal is inserted anteriorly. Second, this macroporous scaffold can be used as a bone graft material, which can be inserted in a metallic cage of sufficient elasticity.
    Résumé
    A l'heure actuelle, aux Etats-Unis, environ 50 millions de personnes souffrent de lombalgie. II s'agit du problème médical le plus important et le plus coûteux pour la santé publique des personnes âgées entre 20 et 50 ans. Les causes de ces douleurs peuvent être nombreuses. Par exemple, une hernie du disque ou une sténose peuvent entraver les fibres nerveuses du rachis. Des processus dégénératifs affectant les facettes articulaires ou une spondylolisthesis peuvent engendrer des instabilités de certains segments du rachis. Bien que la majorité des patients soit soignée à l'aide de traitements conservateurs tels que la médication et la physiothérapie, il en subsiste un certain nombre qui nécessitent une chirurgie rachidienne. Différentes techniques comme par exemple les fusions postérieure, postérolatérale et intervertébrale permettent de stabiliser les segments affectés. Des vis et tiges en alliage de titane peuvent être utilisées pour les fusions postérieures et postérolatérales, ceci avec ou sans adjonction de greffe osseuse. Des cages métalliques peuvent également être employées pour une fusion intervertébrale lombaire postérieure (PLIF) ou pour une fusion intervertébrale lombaire antérieure (ALIF). En général, des greffes osseuses prélevées sur la crête iliaque sont insérées dans ces cages afin de permettre une recolonisation osseuse à l'intérieur de l'implant. Le défaut majeur de ces cages est leur composition métallique, avec tous les problèmes et risques que cela comporte. II semble donc important de palier aux désavantages de ces cages en concevant un nouvel implant de type ALIF. L'objectif principal de cette thèse est de développer un implant qui peut à la fois remplacer la cage métallique et la greffe osseuse. Ce matériau doit être biocompatible, biorésorbable, ostéoinducteur et suffisamment résistant pour supporter les contraintes locales élevées. L'implant conçu avec ce type de biomatériau doit aussi être macroporeux afin de permettre aux cellules osseuses et aux vaisseaux sanguins de le coloniser rapidement. Si un tel implant peut être fabriqué, il ne sera alors plus nécessaire de prélever de greffes osseuses. De plus, cet implant disparaîtra avec le temps, permettant à l'os formé de le remplacer complètement et donc d'assurer une fusion complète entre les deux corps vertébraux. Afin d'adresser ce problème, cinq études ont été réalisées: Une étude anthropométrique du segment L5-S1 et de l'espace à disposition pour l'insertion d'un implant de type ALIF (Chapitre 2). Une caractérisation mécanique complète de deux ciments phosphocalciques (Chapitre 3). Une nouvelle méthode de fabrication de structures d'hydroxyapatite à porosité contrôlée (Chapitre 4). Une comparaison entre un système non contraint et semi contraint, permettant la caractérisation in vitro de la complaisance de l'unité fonctionnelle du rachis L5-S1 (Chapitre 5). Une étude numérique utilisant un modèle par élément fini du segment L5-S1 ainsi que sa validation expérimentale (Chapitre 6). La première étude a permis de définir et de quantifier tous les paramètres géométriques nécessaires à la conception d'un implant de type ALIF (Chapitre 2). Des essais de traction, compression et torsion, ainsi que l'utilisation d'un modèle d'élasticité linéaire par cône et d'un critère de résistance multiaxiale de Tsai-Wu ont permis de publier une caractérisation mécanique exhaustive de ciments brushite et hydroxyapatite (Chapitre 3). Une nouvelle méthode de fabrication de ciments d'hydroxyapatite à porosité et à élasticité contrôlée a été développée. Comme ce type de ciment est biocompatible, biodégradable et ostéoconducteur, la structure d'hydroxyapatite à macroporosité contrôlée représente un matériau de choix pour la reconstruction osseuse dans des zones à contraintes élevées compressives (Chapitre 4). La mesure et la comparaison de la complaisance (ou souplesse) de segments rachidiens intacts ou instrumentés au moyen de systèmes de caractérisations mécaniques doivent être effectuées avec précaution. Contraindre les segments rachidiens dans certaines directions modifie la complaisance de ceux-ci, particulièrement en rotation axiale et en flexion latérale (Chapitre 5). Un modèle par élément fini de l'unité fonctionnelle L5-S1 a été développé. Pour les trois types de mouvement principaux une grande similitude a été trouvée entre les complaisances obtenues numériquement et expérimentalement (Chapitre 6). Se basant sur les résultats numériques obtenus sur un segment dans lequel un nouvel implant de type ALIF en ciment phosphocalcique macroporeux est inséré, deux applications sont envisagées (Chapitre 7). Premièrement, la structure d'hydroxyapatite à macroporosité contrôlée peut être utilisée conme implant de type ALIF, mais à condition qu'une stabilisation postérieure soit effectuée. Les avantages principaux obtenus grâce à ce procédé sont qu'il n'est plus nécessaire de prélever de la greffe osseuse et d'insérer antérieurement un composant métallique. Deuxièmement, cette structure macroporeuse peut aussi être utilisée comme greffe osseuse et insérée dans une cage métallique flexible afin de favoriser la fusion du segment et d'éviter le prélèvement d'un greffon.