Tiges monolithiques aux propriétés variables pour la stabilisation de la colonne vertébrale : fabrication et étude biomécanique

摘要

Les tiges utilisées en chirurgie pour l’arthrodèse vertébrale sont rigides pour immobiliser le segment instrumenté et favoriser la fusion osseuse. La rigidité de ces tiges métalliques, ancrées à la colonne vertébrale via des vis pédiculaires, engendre des concentrations de contraintes aux segments adjacents à l’instrumentation qui peuvent provoquer la dégénérescence de ces segments. Récemment, des systèmes de stabilisation dynamiques, plus souples, ont été proposés pour prévenir l’apparition de ces problèmes. Ces systèmes sont cependant mécaniquement complexes et volumineux ce qui implique des bris mécaniques possibles ou des problèmes de recouvrement tissulaire. Également, ces implants ne procurent pas toujours la stabilité nécessaire à la fusion osseuse. L’objectif de ce projet est le développement d’un nouveau type d’implant aux propriétés mécaniques variables pour la stabilisation de la colonne vertébrale. Ces nouveaux implants devraient combiner une grande rigidité la où la stabilité est importante et une certaine souplesse aux extrémités pour réduire les contraintes aux segments adjacents. Les travaux ont été divisés en trois sujets présentés dans trois articles scientifiques.ududDans un premier temps, la technologie de fabrication de tiges aux propriétés variables a été développée. Le matériau choisi est un alliage à mémoire de forme Ti-Ni. Les propriétés mécaniques de ce matériau sont fortement dépendantes du traitement thermomécanique subi lors de la mise en forme. La technique du chauffage par effet Joule a été choisie pour modifier localement les propriétés mécaniques des tiges. Il a été démontré que cette technique permet de modifier localement les propriétés mécaniques d’un fil de deux millimètres de diamètre en quelques minutes de chauffages seulement. Entre la zone chauffée et la zone non recuite, un gradient de propriétés mécanique a été observé. Il a également été constaté lors d’essais de fatigue que les échantillons aux propriétés variables ne présentaient pas une durée de vie inférieure aux fils homogènes.ududPar la suite, cette technologie de chauffage localisé a été appliquée avec succès à des tiges de taille similaire aux implants commerciaux (Ø5,5 mm). Afin d’optimiser les paramètres de chauffage (courant, durée) ainsi que le profil de propriétés mécaniques résultant de ce chauffage, un modèle numérique a été développé. Après validation, ce modèle permet de simuler l’impact du chauffage local sur les propriétés mécaniques du matériau. Le modèle d’une tige variable pourrait alors facilement être implanté dans un modèle de colonne vertébrale afin d’optimiser le profil de rigidité.ududAfin de caractériser les capacités de stabilisation des tiges aux propriétés variables, des tests biomécaniques in vitro ont été réalisés sur spécimens lombaires porcins. Lors de ces tests, les tiges à rigidité variables ont été comparées aux tiges conventionnelles en titane et aux tiges entièrement superélastiques. L’effet de l’utilisation de crochets transverses à la place des vis en fin d’instrumentation a également été évalué. L’utilisation de tiges variables couplées à des crochets transverses créée une zone de transition entre le segment stabilisé et le segment intact qui réduit les contraintes sur le segment adjacent. Les tiges variables ont également l’avantage de réduire les efforts appliqués sur les crochets, ce qui protège les processus transverses osseux.ududContributions scientifiquesududCe projet apporte un certain nombre de contributions dans les domaines de la science des matériaux et biomédicale qui peuvent être résumées comme suit :udud• la technique de fabrication des tiges aux propriétés variables a été développée et validée. Les recuits locaux par effet Joule permettent une fabrication simple et rapide de ces tiges;udud• un modèle numérique permettant de simuler l’effet d’un chauffage local sur les propriétés mécaniques hétérogènes d’une tige a été développé et validé;udud• une méthodologie expérimentale a été élaborée pour les tests biomécaniques. Cette méthode permet l’évaluation simultanée des rotations intervertébrales, des forces sur les ancrages, des pressions intradiscales ainsi que de la rigidité des spécimens;udud• les résultats expérimentaux obtenus lors de l’étude in-vitro peuvent servir au développement et à la validation d’un modèle numérique de colonne instrumentée.