Imprimez-moi un plâtre !

5. septembre 2013
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Les chercheurs sont unanimes : les technologies d’impression en trois dimensions sont en train de révolutionner l’orthopédie. Dans quelques années, des exosquelettes sur-mesure pourraient remplacer les anciennes bandes plâtrées. En outre, de nombreux laboratoires travaillent sur des os sur-mesure.

Un vestige du passé : depuis 1851, les plâtres orthopédiques sont utilisés pour immobiliser les fractures. Comme innovation supposée, il y a désormais des moulages en plastique. Ils ont une résistance plus élevée avec moins de poids, un séchage rapide et ne gonflent avec l’eau. Mais on peut citer des points négatifs comme des coûts plus élevés et l’élimination de ce matériel qui n’est pas tout à fait non-problématique. De plus, les bandes de plastiques sont encore pires que la version en plâtre pour la vapeur d’eau et la perméabilité à l’air. Maintenant, les rôles sont inversés.

Bienvenue au XXIème siècle

Jake Evill, diplômé de l’Université Victoria de Wellington, Nouvelle-Zélande, ne connait que trop bien le problème. Après s’être cassé la main, ce designer en matériels et industrie eut un plâtre. Evill fut surpris de voir combien cette méthode est peu agréable pour le patient – un plâtre créant des démangeaisons et pesant douze kilos sur son bras lui semblait être passablement archaïque. Durant les mois chauds, les patients transpirent énormément, ce qui conduit rapidement à des odeurs qui les rendent mal à l’aise. En l’absence de meilleures alternatives, Evill se mit lui-même à l’ouvrage. Le résultat : Cortex, un exosquelette avec des structures en nid d’abeille et de grands espaces ouverts. Comme matière première, des polyamides tels que le nylon sont utilisés. Grâce à d’excellentes propriétés de résistance et de dureté, ce matériau s’avère très léger. Ceci peut être expliqué par des liaisons hydrogène intermoléculaires, semblables à celles des protéines.

Des données à la pièce à usiner

Même pour Cortex, tout commence par une radiographie pour déterminer l’emplacement exact de fractures. Là-dessus s’ajoutent des analyses tridimensionnelles de l’extrémité concernée. Evill travaille à ce niveau avec le Kinect, un hardware de contrôle pour la Xbox 360. Puis ses collègues informaticiens entrent en jeu : à partir de ces données, il faut calculer la géométrie que doit avoir l’exosquelette pour bien tenir l’extrémité et fournir un soutien là où cela est nécessaire. Pour la modélisation tridimensionnelle, l’outil ZBrush, un programme de modélisation graphique de Pixologic est utilisé. Enfin, toutes les données sont transférées aux Pays-Bas. Shapeways, un spécialiste en gravures en trois dimensions, produit un exosquelette à partir de ces données : moins de 500 grammes et trois millimètres d’épaisseur.

Belles prestations, coût élevé

Comme critique, la nouvelle construction a deux graves inconvénients : en comparaison avec des bandages en plâtre ou des moulages en plastique, il faut prévoir des coûts nettement plus élevés. Cela s’applique à la fois au hardware, au logiciel ainsi qu’au matériau lui-même. De plus, Evill estime à environ trois heures le temps nécessaire pour obtenir un exemplaire – par rapport à un maximum de dix minutes pour la méthode classique. Mais une fois que cela est fait, Cortex exerce sa fonction immédiatement, tandis que le plâtre n’est complètement dur qu’après une journée. À l’opposé, les médecins y voient plusieurs avantages : la géométrie exacte, le faible poids, ou la qualité esthétique. Les patients peuvent se doucher ou se baigner comme d’habitude, et leur peau est bien ventilée. Des chemises à manches longues ou des pantalons longs ? Pas de problème. Il reste encore l’aspect environnemental : pour un soutien, en général, une petite quantité de plastique est nécessaire. Tous les polymères utilisés peuvent être recyclés par refonte après la guérison.

Stable et précis

Alors que l’exosquelette doit encore être perfectionné pour que les hôpitaux et les cabinets puissent en profiter, d’autres technologies 3D en orthopédie sont déjà clairement développées. Le Professeur Jules Poukens, Belgique, fit face au défi de traiter un patient âgé avec des processus inflammatoires chroniques au niveau de la mâchoire inférieure. En raison de son âge, il considéra les mesures de reconstruction de la structure osseuse, incluant les longues durées d’opération, comme critiques. Sa solution : après avoir pris des mesures en trois dimensions, il créa un implant en titane sur mesure. Grâce à un puissant laser, la poudre de titane fut mise en forme finale millimètre par millimètre. Avant l’intervention, Poukens recouvrit la pièce usinée d’une couche de bio-céramique. Des médecins britanniques furent confrontés à des problèmes similaires. Ils durent supprimer de vastes zones du crâne d’un patient. Sur la base des différents scanners, ils firent une reconstruction 3D. Le morceau d’os se composait de polyéthercétonecétone (PEKK).

Os sur commande

Produire des implants avec des imprimantes 3D qui peuvent être intégrés par l’organisme reste une perspective d’avenir. Cynthia M. Gomes travaille en Allemagne, à l’Institut fédéral de recherche et essais sur les matériaux (BAM), sur des pièces de céramique. Sa vision : pendant les opérations, les chirurgiens scannent les défauts osseux – et reçoivent immédiatement les implants appropriés. Ceux-ci se composent à 60 pour cent de pores pour permettre aux cellules de bien grandir. Finalement, le corps résorbe les composants inorganiques. Gomes est persuadée que dans cinq ans, les premiers implants pourraient être utilisés. A Washington State University, le Professeur Amit Bandyopadhyay mit beaucoup d’énergie dans les imprimantes en trois dimensions. Son prototype produit un substitut osseux en céramique, qui ressemble à s’y méprendre au modèle biologique. Les premiers tests sur des rats et des lapins furent couronnés de succès. Selon son estimation, il faut attendre encore au moins dix ans pour que des êtres humains puissent bénéficier de cette nouvelle technologie. Le Professeur Kevin Shakesheff de l’Université de Nottingham poursuit une stratégie différente – il construit des os artificiels avec une bio-imprimante. Les tomodensitométries sont utilisées comme base pour générer un modèle. Puis la bio-imprimante l’applique sur des cellules souches. Dans le corps, cette structure de base est peu à peu remplacée par notre propre tissu osseux. Shakesheff a récemment présenté sa méthode à la Royal Society’s Annual Summer Science Exhibtion à Londres.

Médecins à bord

Tandis que les ingénieurs utilisent depuis un certain temps les processus de scan et d’impression en trois dimensions pour créer des pièces, la médecine fut, dans un premier temps, sceptique. Depuis, des groupes de travail dans le monde ont exploré les applications possibles pour les patients. Pour les os artificiels et les exosquelettes, cela semble très prometteur. Au-delà de l’orthopédie, les laboratoires travaillent aussi sur le foie, le rein ou le cœur avec la bio-imprimante 3D : une perspective à long terme en raison de la demande croissante en organe et la diminution du don d’organe.

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