Le point sur les substituts osseux
09 septembre 2024
Conférence séance de travail ANCD du 19 Juin 2024
Les substituts osseux sont utilisés en chirurgie buccale, en parodontologie et en implantologie. Ils permettent de recréer un volume osseux suffisant en palliant les insuffisances d'épaisseur ou de hauteur de l'os alvéolaire.
Les nombreuses indications demandent des présentations diverses, au niveau de leur consistance et de leurs propriétés mécaniques. Le choix se fera notamment selon le volume et la position du site à combler.
Les substituts osseux sont une alternative à l'os autogène. Ils évitent des suites post-opératoires (œdème, douleurs) au niveau du site donneur :
- Complications infectieuses (ostéite)
- Préjudice esthétique (menton)
- Lésions neurologiques (pariétal, ramus)
Ils peuvent être classés selon :
- Leur origine : origine naturelle, origine synthétique
- Leur composition chimique : carbonates de calcium, céramiques phosphocalciques, phosphates tricalciques, céramiques biphasées, matériaux composites, polymères, bioverres et sulfates de calcium
- Leurs caractéristiques d'utilisation : résorbabilité, injectabilité, prise et durcissement...
1. Définition
Autogreffe : greffe des propres tissus d'un individu à lui-même. Les sites de prélèvement sont l'os iliaque, le ramus, la zone rétromolaire et l'os pariétal. La résorption du greffon peut être faible à importante, voire totale : l'origine embryologique et le mode d'ossification du site de prélèvement sont prépondérants.
Allogreffe : greffe des tissus d'un individu à un autre d'une même espèce.
Xenogreffe : greffe des tissus d'un individu à un autre d'une autre espèce.
Matériau alloplastique : matériau synthétique.
L'ostéogène ou ostéoformation est la formation de tissu osseux. C'est la construction de la matrice osseuse par des cellules ostéoformatrices.
Dans un tissu ostéogène, on parlera d'ostéo-conduction. C'est la propriété passive d'un matériau. La formation de tissu osseux se fera par invasion vasculaire et cellulaire à partir du tissu osseux receveur.
Dans un tissu non ostéogène, on parlera d'ostéo-induction. C'est la capacité d'induire une différenciation cellulaire pour synthétiser une matrice osseuse minéralisable.
2. Allogreffe
Les banques d'os sont utilisées en odonto-stomatologie depuis les années 1970, et antérieurement en chirurgie orthopédique.
Ces produits sont très utilisés aux Etats-Unis, avec un développement plus lent en France. Ils sont ostéoconducteurs et résorbables.
On distingue selon le procédé de fabrication :
- FDBA (Freeze Dried Bone Allograft) : os d'origine humaine lyophilisé
- DFDBA (Demineralized Freeze Dried Bone Allograft) : os d'origine humaine lyophilisé et déminéralisé.
Les prélèvements se font sur cadavres (dans les 24 heures après le décès) ou sur donneur vivant (lors d'opération de prothèse de hanche par exemple), puis sont préparés (réduits en particules, traités à l'alcool éthylique), congelés dans de l'azote liquide et lyophilisés (pour réduire l' antigénicité de l'allogreffe). La déminéralisation, quand elle a lieu, se fait par action de l'acide chlorhydrique. Le conditionnement est réalisé par des sachets sous vide.
Les protéines matricielles sont encore présentes mais ne sont disponibles que lors du processus de résorption. La matrice collagène est réduite pour permettre une meilleure diffusion de protéines morphogénétiques.
Ces prélèvements subissent une stérilisation complémentaire pour réduire les risques de contamination qui peuvent varier selon les banques (radiations ionisantes, oxyde d'éthylène, chaleur) ; La néoformation osseuse sera ainsi variable d'une banque à l'autre.
Le risque de contamination est limité, par sélection rigoureuse des donneurs et par traitements.
Inconvénients :
- transmission possible : pathologies bactérienne ou virales (VIH, hépatite)
- altération de l'ostéo-induction par stérilisation (rayons gamma)
- réaction immunitaire, même si le greffon est irradié
- ostéo-conduction aléatoire au sein du greffon.
3.Xénogreffe
Les origines sont diverses : corail, seiche, mammifères (cheval, vache, cochon, mouton). L'origine bovine est la plus fréquente.
La structure (porosité) est proche de celle de l'os humain, elle réalise l'intérêt de ces xénogreffes. Leur ostéointégration dépend du potentiel ostéogène du site receveur. Leurs propriétés biomécaniques sont intéressantes car quasiment identiques à celle du tissu humain.
Leur indication réside dans les zones soumises à des contraintes (propriétés mécaniques intéressantes), mais ne sont pas utilisables pour les grandes pertes de substance.
Dans la classification des tissus et organes d'origine bovine en fonction de leur infectiosité (classification O.M.S.), l'os est classé dans la catégorie VI (pas d'infection détectable).
Le risque de transmission (virus, prions) est faible, mais non nul. Les traitements consistent en l'élimination des débris cellulaires, la déproténéisation, la délipidation, l'inactivation des virus, des prions et une stérilisation par irradiation.
3.1. Hydroxyapatite (HA) biologique : Ca10 (PO4)6 OH2
Ce sont des xénogreffes céramisées à très haute température et transformées en hydroxyapatites biologiques.
Matériaux ostéoconducteurs, biocompatibles, de structure comparable à celle de l'os humain. Tous les composants organiques sont extraits à faible température (300°C) mais l'os maintient son architecture naturelle. Les traitements physiques et chimiques entraînent la disparition de la substance antigénique (protéines, protides, acides aminés) et une modification de structure et de composition de la phase inorganique.
3.2. Matériaux organo-minéraux
2 parties :
- Partie inorganique : phase phospho-calcique : hydroxyapatite, ↑-TCP, phosphate de calcium Ca3(PO4)2
- Partie organique : collagène, chondroïtine sulfate, peptides, copolymère polyester lactique - glycérol méthyl-4hydroxybenzoate...
Biocompatibles, ils possèdent des propriétés biomécaniques intéressantes.
Leur potentiel d'ostéoconduction est variable selon les procédés de préparation. Leur indication réside dans les zones soumises à contraintes mais peu étendues.
2 origines :
- Origine synthétique
- Origine bovine et/ou porcine
3.3. Les carbonates de calcium : CaCO3
Origines : corail, nacre, os de seiche.
Le corail naturel et l'os de seiche sont purifiés (élimination de la matrice organique) et stérilisé (rayons ionisants ↑). Ce matériau correspond à un carbonate de calcium cristallisé sous forme d'aragonite. Différentes espèces sont utilisées selon leurs caractéristiques structurales et les indications cliniques : le corail Porites lutea est préconisé en Odontologie.
D'une porosité de 100 à 200 microns, similaire à celles de l'os spongieux, le carbonate de calcium est biocompatible et résorbable.
La cinétique de résorption dépend de l'espèce, du site d'implantation, du volume, de la taille et du volume des pores. Le processus est lié à l'action des cellules et des ostéoclastes, ainsi qu'à l'action des fluides interstitiels (dissolution de surface).
Il possède une résistance à la compression importante et une faible résistance à la traction. Récemment, il a été employé comme support de facteurs ostéo-inducteurs (BMP) et de facteurs de croissance.
3.4. Polymères d’origine naturelle
Ils ont des propriétés mécaniques peu élevées et ne possèdent pas de potentiel ostéo-inducteur (collagène, chitosane etc.)
4.Matériaux synthétiques
4.1. Céramiques phospho-calciques
Ce sont des céramiques bioactives qui réalisent des échanges entre les cellules et les fluides biologiques. Leur composition chimique est similaire à celle de la phase minérale de l'os.
Les céramiques phospho-calciques présentent d'abord de faibles propriétés mécaniques, mais acquièrent progressivement une résistance mécanique semblable à l'os spongieux.
4.1.1. Hydroxyapatites HA : Ca10(PO4)6OH2
Les hydroxyapatites synthétiques sont ostéoconductrices, non résorbables et biocompatibles. Il existe des hydroxyapatites poreuses ou denses (peu utilisés car ils ne permettent pas l'envahissement cellulaire et osseux).
4.1.2. Phosphate tricalcique Ca3(PO4)2 : →TCP -↑TCP
Forme poreuse du phosphate de calcium. Il ne stimule pas la croissance osseuse. La forme la plus utilisée en odontologie est la forme ↑ TCP.
4.1.3. Céramiques biphasées
Elles associent l'hydroxyapatite Ca(OH)2 et le ↑ TCP Ca3(PO4)2. Le rapport entre hydroxyapatite et ↑ TCP est variable selon les fabricants ( rapport souvent égal à 60%/40%).
4.1.4 Nanocristaux de phosphate de calcium
Constitués d’une combinaison de cristaux d’hydroxyapatites synthétiques incorporés dans un hydrogel.
4.2. Polymères
4.2.1. Ciments acryliques.
Ils sont élaborées à partir de polyméthylmétacrylate (PMMA) et de polyhydroxyéthyIméthacrylate (PHEMA) associés à de l'hydroxyde de calcium Ca(OH)2.
Ils sont ostéoconducteurs et hydrophiles.
4.2.2. Polyesters aliphatiques
Ils sont dérivés des acides lactiques et /ou glycériques. Ils sont caractérisés par une biodégradation contrôlable et une grande flexibilité de leur configuration.
4.3. Bioverres
Ces silicates (MeyOz, SiOx avec Me : Na, K, Li...) peuvent contenir différents oxydes : Na2O, CaO, K2O, P2O5... En faisant varier les proportions, peuvent être produits des bioverres, résorbables ou non.
Ils induisent une formation osseuse rapide et réalisent une barrière retardant la migration épithéliale. Une double couche de gel de silicate et de phosphate de calcium se forme à la surface quand ils sont exposés aux fluides biologiques. Les bioverres présentent une résistance mécanique beaucoup plus importante que l'hydroxyde de calcium ou le phosphate de calcium.
4.4. Sulfate de calcium (Ca5SO4)
C'est le plus ancien des substituts osseux.
Le sulfate de calcium hémihydraté correspond au "plâtre de Paris".
Inorganique, ce matériau, non-poreux, se caractérise par la possibilité d'inclure des antibiotiques.
Il ne possède pas d'activité ostéo-conductrice et présente une faible résistance mécanique
4.5. Titane
Les granules irréguliers et poreux de titane commercialement pur peuvent s'imbriquer les uns dans les autres, créant une structure ininterrompue.
5.Matériaux composites
Ils vont essayer de combiner les propriétés variables d’une matrice avec des propriétés biologiques attendues.
5.1. Polymères naturels
Des bases synthétiques vont être associée avec du collagène ou avec du chitosane.
5.2. Polymères synthétiques
Traditionnellement des bases synthétiques (PMMA ou hydroxyéthyl PHEMA) étaient retenues ; plus récemment on trouve des polyphosphoesters (UPPE) associées à des ↑-TCP.
5.3. Facteurs de croissance
Il s’agit de cytokines d’origine synthétique par combinaison d’ADN (rh BMP 7) réservées aujourd’hui à la chirurgie orthopédique.
6. Réglementation
Les substituts osseux, à l’exception des produits d’origine humaine, sont des dispositifs médicaux dont les fabricants sont soumis aux normes européennes relatives aux dispositifs médicaux NF EN ISO 14971 et plus particulièrement à la norme NF EN ISO 10993-1 : 2009 concernant l’évaluation des dispositifs médicaux.
Les produits d’origine humaine sont soumis dans le cadre européen à un règlement strict qui englobe toutes les étapes de la fabrication jusqu’à la transplantation. Cette traçabilité totale rentre dans le cadre législatif des directives européennes 2006/17/CE.
En France, l’ANSM délivre les autorisations. Le praticien devra connaître l'origine du greffon, son mode d'inactivation virale, ses propriétés mécaniques, sa biocompatibilité, son numéro d'autorisation de mise sur le marché, ses certifications européennes et françaises (NF S 91-155). Le devoir d'information (consentement éclairé du patient, loi du 4 mars 2002) prend ici toute son importance.
7. Conclusion
La demande en substituts osseux est en croissance rapide liée au vieillissement des populations et à l’évolution des techniques de réhabilitation.
En dehors de l’autogreffe, les substituts osseux montrent leurs limites au niveau de leur potentiel ostéoconducteur et encore plus au niveau de leur caractère ostéoinducteur.
Il faut donc faire appel à l’ingénieurie tissulaire pour combiner des cellules souches sur des supports calciques, en associant certainement des cytokines.
* MCU-PH