[0001] L'invention concerne un matériau sous forme de granulé pour procéder au comblement
rapide et complet d'un défaut osseux par formation de tissus osseux.
[0002] On sait que des produits comme l'hydroxylapatite dense ou poreux, le phosphate tricalcique
ou les bioverres peuvent être utilisés sous forme de granulés comme matériau de remplissage
pour des lésions osseuses telles que poches parodontales, sites d'extraction, lésions
cystiques, défaut osseux...
[0003] Dans le cas du remplissage de cavités osseuses, le rôle de ces granulés (notamment
d'hydroxylapatite) est d'agir comme matrice en vue d'une restauration par croissance
osseuse (c.à.d. prolifération normale de cellules osseuses). Il a ainsi été démontré
qu'il se produit une ostéoconduction (c'est-à-dire une croissance de tissus osseux
le long de la surface des granulés implantés) et un remplissage progressif de l'espace
intergranulaire. Malheureusement cette croissance intergranulaire est généralement
limitée aux particules situées à proximité immédiate des parois de la cavité osseuse,
les autres particules s'entourant de tissus fibreux et donnant ainsi une masse solide.
Ainsi, l'ostéoconduction conduit à des particules enrobées progressivement par du
tissu osseux qui prolifère à partir des parois de la cavité osseuse, les particules
ne réagissant au mieux qu'en surface.
[0004] Par ailleurs, quand lesdites particules sont mises en place dans une cavité, par
exemple un site d'extraction, elles peuvent migrer dans les tissus mous adjacents,
et se trouver fixées dans des endroits impropres. Ceci peut entraîner des complications
telles que dysaesthésie ou paraesthésie du nerf..., douleur, infection, perforation
de la gencive et perte de particules.
[0005] Pour ces raisons, le développement de l'emploi de particules, telles que celles d'hydroxylapatite,
passe par l'amélioration de leurs propriétés de mise et de tenue en place. Ceci peut
être obtenu par l'emploi d'artifices tels que mise en place à l'aide d'enveloppes
résorbables, colles, collagène ou ses dérivés, fibrines adhésives etc...
[0006] Ainsi, le remplissage de la cavité devient, après ostéoconduction, un composite de
tissus osseux, fibreux et d'apatite ou de bioverre qui a des propriétés mécaniques
insuffisantes, inférieures à celles de l'os. Par exemple, l'insertion d'implants prothétiques
dans un tel composite ne peut pas être en général pratiqué car elle risque de présenter
des défauts de compatibilité, de solidité ou de rigidité dans le temps. De plus, la
présence de particules dans les tissus voisins n'est pas souhaitable.
[0007] La demande EP 0206726 est ainsi relative à la réparation de défauts parodontaux (poches
situées entre l'os de la mâchoire et la racine des dents) par mise en place d'un granulé
bioactif dans ledit défaut et illustre l'obtention d'un tel composite os-granulé par
ostéoconduction, c'est-à-dire croissance intergranulaire du tissu osseux à partir
des parois osseuses du défaut (p.15, 1.13-15 et 25-28). Ledit granulé présente par
ailleurs des caractéristiques propres (nature chimique, sélection d'un empilement
granulométrique) qui permettent d'obtenir certains avantages, représentant l'objectif
principal recherché, comme une bonne cohésion facilitant sa mise et son maintien en
place dans le défaut, de même qu'un bouchage permettant d'arrêter l'écoulement sanguin
se produisant également dans le défaut. Ce granulé particulier est obtenu par un procédé
consistant en une fusion d'un mélange de poudres suivie d'une coulée dans de l'eau
sous forme de frittes qui sont lavées à l'acétone puis broyées avant que la sélection
granulométrique soit effectuée.
[0008] Le granulé décrit dans ce document joue en quelque sorte le rôle d'un implant permanent,
objet d'une ostéoconduction, donc s'enrobant progressivement de tissus osseux qui
adhère audit implant et le maintient solidement en place; la réparation d'un tel défaut
parodontal, conduisant audit type de composite os-verre, ne nécessite pas d'ailleurs
des exigences particulières de caractéristiques mécaniques car elle n'est pas en général
destinée à recevoir des implantation ultérieures de prothèses.
[0009] Le document EP-A-145.210 décrit un autre type de bioverre granulé dont les particules
sphéroïdales contiennent SiO
2 ,Na
2O ,P
2O
5 CaO, (par exemple dans les proportions respectives en poids : 45 24,5 6 24,5) et
sont obtenues par pulvérisation d'une solution contenant les composés précurseurs,
séchage et calcination.
[0010] Le document FR-A-2.606.282 décrit une composition pour comblement de cavité osseuse
contenant deux composants constitués d'une poudre d'alumine ou d'apatite de granulométrie
comprise entre 250 et 1500 µm et d'un liant hydraulique ou organique.
[0011] Quant au document EP-A-382.047, il décrit une céramique osseuse résorbable à base
de phosphate tricalcique, remplacée progressivement par du tissu osseux et qui est
obtenue à partir d'os naturel et d'un composé porteur de phosphate.
[0012] Pour pallier les inconvénients résultant d'une ostéoconduction à partir des parois
osseuses d'une cavité dans un espace intergranulaire et conduisant auxdits composites
os-granulé, la demanderesse a recherché à combler des défauts osseux pratiquement
pardu tissu osseux et à accroître la rapidité de formation dudit tissu osseux. Elle
a ainsi recherché à produire une ostéostimulation, définie comme étant une ostéogénèse
dans un site osseux sans contact avec l'os avoisinant, l'ostéogénèse étant le phénomène
conduisant à du tissu osseux, un autre objectif étant d'améliorer les caractéristiques
mécaniques du tissu osseux comblant ledit défaut de façon à pouvoir y faire ultérieurement
des implantations réussies de prothèse.
[0013] L'invention consiste à utilisation de granulés constitués de particules ayant, en
combinaison, la composition suivante (en % poids):-
SiO2 compris entre 40 et 55%;
Na2O compris entre 10 et 32%;
P2O5 compris entre 0 et 12%; et
CaO compris entre 10 et 32%
caractérisée en ce qu'au moins 90% des particules ont une coupe granulométrique comprise
entre 300 et 360
µm, comme déterminée par tamisage, avec des arêtes vives, un profil irrégulier et des
microdéfauts de surfaces ou microfissures, pour formuler un matériau bioréactif adapté
à combler un défaut osseux, les granulés provoquant une ostéogenèse par ostéostimulation,
les particules constituantes étant désintégrées de l'intérieur pour opérer une différenciation
des cellules précurseurs issues des ostéoblastes, puis être dissoutes et remplacées
rapidement par du tissu osseux.
[0014] Les cellules précurseurs sont des cellules mesenchymales, présentes à l'origine dans
le milieu biologique, qui peuvent se différencier en cellules fibroblastes et chondroblastes
qui déposent des tissus fibreux ou cartilagineux (à éviter dans la présente invention)
et en cellules ostéoblastes qui déposent du tissu osseux (recherchées dans la présente
invention).
[0015] Il est important de contrôler la désintégration et la dissolution du granulé car
ces phénomènes, s'ils sont incontrôlés, pourraient par exemple donner lieu à une inflammation
trop intense qui empêcherait l'apparition des conditions favorables à la différenciation
des cellules mesenchymales en ostéoblastes. En outre une dissolution trop rapide des
granulés par rapport à la vitesse de formation des tissus osseux ne pourrait plus
conduire à une formation de cesdits tissus osseux mais plutôt à la formation de tissus
fibreux non désirables.
[0016] Les particules constitutives sont ainsi désintégrées de l'intérieur, disparaissent
et sont remplacées progressivement et rapidement par du tissu osseux plutôt que par
des tissus fibreux; après disparition du matériau, on obtient une masse osseuse se
prêtant par exemple parfaitement aux implantations ultérieures de prothèses.
Ce granulé est également d'utilisation et d'application facile; ses particules restant
bien en place dans le défaut, ceci évite l'emploi d'artifices.
[0017] Il est important que les verres bioréactifs utilisés ne contiennent pas de produits
fluorés. Ils contiennent généralement SiO
2, Na
2O, P
2O
5, un oxyde alcalino-terreux, comme CaO. La présence de bore et d'alumine n'est pas
souhaitable.
[0018] La présence de produits fluorés tel que CaF
2 est néfaste car elle freine trop la restauration et, avec certaines granulométries,
peut entraîner par ailleurs une réaction inflammatoire trop intense.
[0019] La composition du verre est de préférence comprise dans les fourchettes suivantes:
SiO2 |
42 - 48% |
Na2O |
14 - 28% |
P2O5 |
0 - 10% |
CaO |
20 - 29%. |
Le défaut osseux est de préférence formé dans la mâchoire.
[0020] Le matériau doit être sous forme de poudre constituée de particules anguleuses, ayant
des arêtes vives et un profil irrégulier. Les particules constitutives doivent présenter
des microdéfauts de surface ou des microfissures. Ces microdéfauts ou microfissures
seront l'amorce de petits conduits qui, comme on le verra plus loin, relient l'intérieur
des particules à l'extérieur et favorisent leur désintégration par l'intérieur.
[0021] Ces caractéristiques de taille et de morphologie sont essentielles pour pouvoir utiliser
les bioverres décrits ci-dessus avec les résultats recherchés.
[0022] En général, les particules selon l'invention ont été implantées dans des chiens,
puis des échantillons ont été prélevés après 1, 2, 3, 6 mois, un an; après traitement
de fixation, ils ont été découpés au microtome et préparés pour être observés par
microscopie et analysés.
[0023] Avec un matériau selon l'invention, la demanderesse a constaté que, non seulement
le tissu osseux se développe à partir de la paroi de la cavité osseuse, par ostéoconduction,
en formant un squelette osseux, mais encore de façon inattendue, que les particules
situées au milieu de la cavité, donc sans contact avec les parois, se désintègrent
et s'ossifient simultanément à partir de leur centre, cette désintégration ne produisant
pas de réaction inflammatoire chronique nocive.
[0024] A l'intérieur desdites particules, il se forme une excavation par désintégration
et dissolution de la partie centrale sous l'action du liquide physiologique et de
cellules macrophages, histiocytes, plasmocytes et lymphocytes. Ces excavations centrales
sont reliées à l'extérieur par de petits conduits. Ensuite on note que, sur la paroi
de l'excavation formée, s'étend du tissu osseux recouvert par une couche de tissu
ostéoide et une bande de cellules actives ostéoblastes. On remarque ainsi qu'il s'est
opéré la différentiation souhaitée mais inattendue des cellules mesenchymales en ostéoblastes
plutôt qu'en fibroblastes. Un bon nombre de ces excavations est déjà pratiquement
rempli de tissu osseux au boût de 3 mois. Il n'y a pas de liaison directe entre le
tissu osseux se développant au centre des particules et le tissu osseux extérieur.
[0025] Une explication peut être que les particules implantées sont exposées à l'action
du liquide physiologique et de cellules; ces derniers opèrent une dissolution et pénètrent
à l'intérieur desdites particules par l'intermédiaire de défauts de surface ou de
microfissures, dus au procédé de fabrication du granulé et accessibles audit liquide;
il se produit des changements locaux de pH et de composition du verre, qui sont favorables
à l'ostéostimulation, celle-ci favorisant la transformation préférentielle des cellules
mesenchymales précurseurs en ostéoblastes déposant du tissu osseux; il n'y a pas,
en particulier, de développement des cellules fibroblastes, générant des tissus fibreux,
gênants, au contact du verre ayant réagi. L'intérieur des particules constitue un
milieu très protégé qui permet de créer et de maintenir lesdites conditions faborables
à la différenciation des cellules mesenchymales en ostéoblastes. Cela signifie que
le granulé de remplissage est ostéostimulant dans les conditions spécifiques et limitées
de l'invention. En particulier les particules trop petites, donnent une réaction trop
intense et conduisent à du tissus fibreux, ces conditions étant défavorables à la
différenciation des cellules mesenchymales en ostéoblastes.
[0026] En fin d'évolution on obtient ainsi, dans le défaut ossseux, une matière de remplissage
également osseuse, organiquement liée à la paroi dudit défaut; ce remplissage a donc
les propriétés de l'os et peut être utilisé dans les mêmes conditions que l'os voisin.
De plus, on ne constate pas de migration de particules dans les tissus non osseux
avoisinant ledit défaut osseux.
[0027] Le matériau selon l'invention n'est pas stable, il est au contraire actif, il est
stimulateur et entraîne de façon inattendue la formation du tissu osseux par ostéostimulation.
Il permet donc d'obtenir une ossification beaucoup plus rapide puisqu'elle se fait
non seulement à partir de la paroi de la cavité en enrobant les particules, mais également
et simultanément dans la masse par l'intérieur des particules.
[0028] Les caractéristiques de taille et de morphologie sont essentielles pour pouvoir obtenir
les résultats recherchés.
En effet, quand on met les particules en contact avec le mi lieu physiologique, il
se constitue une couche superficielle riche en phosphate de calcium (CaP) tandis qu'au
contraire la couche sous-jacente devient riche en SiO
2.
Si les particules sont de trop petites dimensions, leur intérieur est constitué d'un
gel de silice recouvert d'une couche de CaP trop mince et très fragile; celle-ci a
tendance à se briser, les cellules macrophages absorbent la silice et les particules
disparaissent trop rapidement sans que le milieu, très protégé et faborable à la différenciation
des cellules précurseurs en ostéoblaste, constitué par l'excavation intérieure de
la particule, ait eu le temps de se former et de donner naissance à du tissu osseux.
Avec ce type de particule, il n'y a pas d'ostéostimulation.
De même si dans une coupe granulométrique lesdites particules de trop petites dimensions
sont en quantité trop importante, la réaction trop intense qu'elles provoquent peut
entraîner une inhibition de l'ostéostimulation qui pourrait se produire avec des particules
de taille plus élevée.
[0029] Si les particules ont une granulométrie conforme à l'invention, la couche de CaP
est plus solide et le centre contient de la silice mais pas de verre. Le CaP ne se
brisant plus, les cellules macrophages peuvent pénétrer dans la particule par les
microdéfauts et créer l'excavation; le milieu très protégé et favorable à la différenciation
peut ensuite se développer; il y a alors ostéogénèse par ostéostimulation.
[0030] Si les particules sont de trop grandes dimensions, il reste du verre à l'intérieur
desdites particules, on ne note aucune formation d'excavation, et par conséquent la
différenciation souhaitée ne se produit pas; les grosses particules subsistent.
[0031] A la différence de l'art antérieur, on voit bien que la composition, la distribution
granulométrique et la morphologie des particules sont des facteurs essentiels pour
que l'on observe cette ostéostimulation par dissolution et désagrégation desdites
particules de leur intérieur, leur disparition et leur remplacement par du tissu osseux.
[0032] Etant donné que le but est de combler le défaut osseux aussi rapidement que possible,
il est essentiel d'avoir un granulé entièrement dans la coupe granulométrique revendiquée.
Les granulés en dehors de cette coupe ne produisent pas d'ostéostimulation et, par
conséquent, l'effet recherché qui conduit à une formation osseuse précoce n'existe
pas.
[0033] On voit que l'invention produit une dissolution préférentielle du verre en opposition
aux mécanismes de réaction des bioverres de composition comparable décrits dans l'art
antérieur. En effet lesdits mécanismes décrits sont en général des réactions de lessivage
de certains ions à la surface du verre, sans qu'il ne soit noté une dissolution dudit
verre.
[0034] Par ailleurs, l'état de surface rugueux des granulés, dû à leurs caractéristiques
de forme, agit de façon agglutinante ou imbriquante et est tel que le matériau est
de mise en place facile, les particules restant en place dans la cavité en s'agglutinant
entre elles et en s'agrippant aux parois de la cavité osseuse. Bien entendu, pour
des applications particulières, il est possible d'utiliser d'autres artifices de mise
en place.
[0035] D'une façon habituelle on obtient le matériau selon l'invention en préparant tout
d'abord un mélange de poudres comprenant de la silice, un oxyde alcalino terreux (de
préférence CaO et/ou MgO), un carbonate pour introduire l'alcalin au moins en partie
(on utilise de préférence le carbonate de sodium), un phosphate ou phosphate acide
pour introduire P
2O
5 (de préférence CaHPO
4).
[0036] On fond ce mélange et on le coule sous forme de pièces, habituellement de petits
cylindres ou disques, dans des moules relativement massifs en matériau bon conducteur
de la chaleur (par exemple graphite, métal...). Un recuit peut être effectué. Ces
pièces sont ensuite réduites en granulé par tous moyens permettant de donner des particules
fissurées, rugueuses ayant de très nombreux angles vifs. On emploie de préférence
le concassage et/ou le broyage, par exemple en mortier, à marteau, à barre. Puis on
réalise la coupe granulométrique souhaitée par exemple par passage sur tamis vibrants.
[0037] Il est important qu'avant broyage les pièces coulées ne soient pas en contact avec
un liquide (par exemple eau, acétone...) ou tout autre élément pouvant réagir avec
le verre. En effet, il pourrait alors se produire des modifications (chimiques et/ou
physique) telles que les microdéfauts ou microfissures n'apparaissent plus.
EXEMPLES
[0038] Pour illustrer l'invention, on a comparé un matériau selon l'invention à d'autres
matériaux ne répondant pas aux conditions.
Exemple 1
[0039] On est parti d'un mélange de poudres contenant (% poids) :
SiO2 |
45 % |
CaO |
24.5 % |
Na2O |
24,5 % |
P2O5 |
6 % |
[0040] Ce mélange a été fondu et coulé sous forme de petits disques (diamètre 4 cm. hauteur
1 cm) qui ont été ensuite broyés au marteau. On a ensuite réalisé une coupe granulométrique
entre 300 et 425 µm à l'aide de tamis. Les granulés obtenus ont été implantés dans
des cavités osseuses de mâchoire de chiens; ces cavités sont soit dues à des extractions
de dents, soit des cavités créées chirurgicalement, soit des cavités patologique,
soit des lésions parodontales.
[0041] La durée d'implantation varie entre 1 mois et 1 an, après quoi des échantillons ont
été prélevés et des coupes faites et préparées pour être examinées.
On note tout d'abord que les particules sont très bien restées en place dans la cavité.
On a également observé que le centre de la plupart des particules situées dans la
masse a été désintégré et dissout rapidement, et a donné lieu à la différenciation
des cellules mesenchymales en ostéoblastes.
On note également, dès le 1er mois, dans ces particules, la présence de tissus osseux
recouvert par une couche d'ostéoïde et une pellicule d'ostéoblastes qui permettent
la croissance dudit tissu osseux.
Une grande quantité de ces particules sont pratiquement remplies de tissus osseux
au bout de 3 mois sans qu'on note de liaison avec le tissu osseux obtenu par croissance
externe (ostéoconduction) à partir des parois de la cavité osseuse.
[0042] Après un an la cavité a été complément envahie de tissus osseux.
De plus, on ne note pas d'inflammation, ni de migration de particules dans les tissus
adjacents.
[0043] Les figures 1 et 2 présentent des coupes micrographiques de grain obtenues par microscopie
à électrons rétrodiffusés, avec en surimpression les analyses ponctuelles de la teneur
en Ca et en Si, effectuée selon une ligne transversale et indicatives pour les teneurs
en CaP et en gel de silice.
La figure 1 représente une particule selon l'invention (grossissement X 400) après
un mois d'implantation. On observe, en clair, la couche extérieure riche en CaP et,
en sombre, l'excavation centrale en partie désintégrée. Les analyses ont été effectuées
selon la ligne transversale (1); le long de cette ligne, la teneur en Ca est donnée
par la courbe (2) et celle en Si par la courbe (3).
On voit en (21) la couche extérieure riche en CaP, alors qu'au centre de la particule
la teneur en CaP est pauvre (22). En ce qui concerne SiO
2 on voit plusieurs zones : une zone pauvre à la fois en SiO
2 (32), en cours de désintégration, et en CaP (22), deux zones (33) pauvres en SiO
2 à l'extérieur desquelles la couche de CaP (21) est en train de se former, deux zones
(31) contenant de la silice non encore dissoute. En (4) on voit les conduits reliant
l'excavation à l'extérieur par l'intermédiaire, au départ, de microdéfauts de surface.
[0044] La fig. 2 représente également une particule selon l'invention après 3 mois d'implantation.
Alors que dans la fig. 1 l'excavation est en cours de formation, dans la fig. 2 cette
excavation est formée. Les repères ont la même signification que dans la fig. 1.
On note cependant un pic (34) de concentration en Si qui n'a pas de signification
particulière.
[0045] La figure 3 représente un ensemble de particules (grossissement x 60) après 3 mois.
On voit, en sombre, les excavations intérieures (1) à chaque particule entourées de
la couche claire (2) riche en CaP. La présence de tissu osseux est visible en (3)
en plus ou moins grande quantité.
On voit en (4) les conduits de communication de l'excavation avec l'extérieur. Comme
cela a été indiqué précédemment, on ne note pas la présence de tissu osseux dans le
milieu extérieur.
La coupe, étant bidimensionnelle, peut avoir été effectuée près du sommet de certaines
particules, ce qui explique la présence sur la fig. 3 de particules apparemment petites
et sans excavation.
Exemple 2
[0046] Cet exemple montre les résultats imparfaits obtenus avec un granulé comportant un
excès de grosses particules (supérieures à 500 µm).
Les conditions d'expérimentation sont identiques à celles de l'exemple 1; seulement
la coupe granulométrique a été choisie plus grosse en utilisant des tamis de 425 à
850 µm.
Dans ce cas, on note toujours une croissance externe du tissu osseux (ostéoconduction),
à partir de la paroi de la cavité osseuse, entre les particules et le long de leurs
surfaces. Au centre de la cavité, lesdites particules sont entourées de tissus fibreux,
consistant en fibres collagènes entassées de façon dense. Les grosses particules ne
montrent pas de désintégration centrale avec résorbtion ou dissolution de verre et
substitution par du tissu osseux. Il n'est pas évident qu'une ossification des grosses
particules se produise après des durées d'implantation beaucoup plus longues, car
elles peuvent se trouver enrobées et enfermées dans du tissus osseux formé par ostéoconduction,
ce tissu empêchant toute réaction accrue telle qu'elle existait au début de l'implantation.
Exemple 3
[0047] Il illustre les résultats imparfaits de restauration dûs à l'emploi de granulés trop
fins.
Les conditions d'expérimentation sont identiques à celles de l'exemple 1; seule la
coupe granulométrique a été choisie plus petite, en utilisant des tamis de 212 et
300 µm.
On note également dans ce cas une croissance externe du tissu osseux par ostéoconduction
à partir de la paroi de la cavité et entre les particules, lequel tissu enrobe et
se soude auxdites particules. Au centre de la cavité osseuse, la différenciation des
cellules précurseurs en ostéoblastes ne s'est pas faite et les particules sont entourées
de tissus fibreux avant de disparaître sous l'action de cellules phagocytantes.
Seule quelques grosses particules montrent une désintégration centrale avec substitution
de leur coeur par les cellules décrites dans l'exemple 1, et par du tissu osseux.
Exemple 4
[0048] Il illustre les mauvais résultats obtenus avec un granulé contenant un fluorure.
Le verre a la composition suivante (% poids) :
SiO2 |
52 % |
CaO |
16 % |
Na2O |
10 % |
P2O5 |
6 % |
CaF2 |
16 % |
et on a utilisé une granulométrie 425-800
µm.
Après implantation de 3 mois on note, malgré une grosse granulométrie, une reaction
inflammatoire trop intense, phénomène nocif qui n'a pas été observe avec le granule
de l'invention. Cette reaction inflammatoire est attributable à la presence de fluorure.
[0049] On voit que le granule selon l'invention favorise la reaction tissulaire d'ostéogénèse
par ostéostimulation qui se product en tous points du défaut osseus (y comprise la
zone centrale) à l'intérieur des particles en les détruisant et en les remplaçant
par du tissu osseus, sans empêcher par ailleurs une ostéoconduction qui tend à enrober
les particles, sans les détruire, à parti des parois de la cavité osseuse.