Caract

1
Caractérisation par faisceaux dions et
délectrons de la contamination en éléments
métalliques des tissus péri-prothétiques.

• Guibert Geoffroy, doctorant
• Equipe Physique Appliquée aux Biomatériaux.
• Laboratoire de Physique Corpusculaire de
  Clermont-Ferrand

2
(No Transcript)
3
La capsule Tissu fibreux élastique, encapsulant
larticulation, tapissé de la membrane synoviale
et lié intimement aux différents ligaments.
La synoviale fonction sécrétrice, barrière
déchange et de filtration, zone immunitaire.
Rôle capsule-synovial-ligamentmaintien et
cohésion mécaniques de larticulation lors du
déplacement,entretien et préservation des
cartilages.

• Origine de lusure du cartilage ou des os du
  genou
• Lage, le poids, laxe des membres inférieurs.
• Accidents fractures, ruptures des ligaments
• Certaines maladies comme les rhumatismes,
  ostéonécrose..

4
La prothèse de genou
Condyle prothétique alliage à base de cobalt ou
de titane TA6V
Plateau tibial Polyéthylène recouvrant un plaque
de TA6V
Photo d'une prothèse unicompartimentale de genou
Radiographie de profil d'une prothèse implantée
Composition massique des alliages métalliques
Rapport massique des éléments majeurs des alliages
Alliage à base de titaneTA6V Alliage à base de cobalt
Ti 89 Co 65
Al 6 Cr 26,5
V 4 Mo 5,9
TA6V Cr-Co-Mo
22lt Ti/V lt23 2,1lt Co/Cr lt 2,8
Ces teneurs en massique varient suivant les
nuances.
5
Les méthodes nucléaires et électroniques
P.I.X.E (Particule Induced X-ray Emission) and
R.B.S (Rutherford Back scattering)

• Principe bombardement par un faisceau de
  protons de 3 MeV, sur une cible, émission de
  rayons X caractéristiques. Méthode danalyse
  multi-élémentaire, non destructive, bonne
  sensibilité µg/g.
• Spectrométrie X calcul des concentrations des
  éléments GUPIX. (paramètres angle solide,
  section efficace, charge).
• Analyse PIXEC.E.N.B.G de bordeaux,,C.E.R.I
  dOrléans.
• Conditions dirradiation 3MeV, courant 500
  pA1nA, Taille faisceau 5 µm à 200µm,
  cartographie élémentaire 700x700 µm2.
• RBSCalcul charge, matrice biologique.

STEM-EDXS faisceau délectrons 30x30 nm2 image
électronique 10x10 µm2.
6
Protocole expérimental

• PIXE
• Cible mince coupe au cryo-microtome,épaisseur
  10µm, lyophilisée?réalisation de profil.
• Cible épaisse tissu lyophilisé ? analyse en
  surface.
• Prélèvement cul de sac quadricipital. 5
  échantillons.

STEM Inclusion classique en résine, coupe
épaisseur 100 nm
7
Résultats obtenusnature et quantité de la
contamination (en volume)

• 5 échantillons.
• (1,5) et (2,3,4).

titane, vanadium échantillons 1, 2, 3, 4,
5. cobalt, chrome échantillons 2, 3, 4. débris
de polyéthylène échantillons 3, 4.
Concentration maximum des éléments en µg/g pour les cinq échantillons Titane Vanadium Cobalt Chrome
Échantillon 1 1 431 73 39 10 lt LOD lt LOD
Échantillon 2 93 000 5000 4000 260 676 40 315 30
Échantillon 3 130 000 6700 5900 360 980 60 840 72
Échantillon 4 270 000 10 000 11 200 540 2 200 90 1 200 7
Échantillon 5 260 14 9 4 lt LOD lt LOD
10 000 µg/g représente 1 de la masse totale
de léchantillon
8
Progression et localisation des débris

• Profil Échantillons 2,3,4
• Contamination plus importante au niveau de la
  zone proche de la prothèse.
• Décroissance similaire du Ti et du V, du Co et du
  Cr, mais aussi du Ti et du Co.
• Migration des débris des deux types dalliages
  sans aucune discrimination.
• Pénétration sur plusieurs milliers de µm.

Ti µg/g
Co µg/g
Profil de la concentration du titane et du
cobalt sur 3500 µm, échantillon 2, 4.
9
En surface
µg/g
Concentration moyenne en µg/g Échantillon 2 Échantillon 3 Échantillon 4
ltTigt lt 5000 510 000 (? 35 ) 170 000 (? 48 )

• Contraste de pollution /profil. Ordre de grandeur
  différent. lt,gt, ?.
• Pollution hétérogène(intrinsèque, /profil,
  ensemble de la population)diminution avec la
  concentration, phénomène de saturation, usure
  plus importante.

Répartition du titane en surface (1 cm2),
échantillon 3.
Répartition du titane en surface échantillon 4.
10
Taille et morphologie des débris

• Cartographies (700x700 µm2 ) élémentaires P.I.X.E
  Ti, Cr, Co, sur la même zone danalyse.
• Renseignement sur lhomogénéité, la densité et
  éventuellement la taille des particules (gt à la
  résolution du faisceau de protons 5 µm).

• Photographies en STEM de coupes de tissu
  (épaisseur 100 nm).Complémentarité /PIXE.
• Taille des débris du nm au µm

11
Profil des grains

• Profil de grain par STEM-EDXS, taille de sonde 30
  nm
• Détection des grains lt 100 nm.

12
Le rapport massique, un indice sur le type de
débris présents

• Un rapport Ti/V et Co/Cr proche de celui des
  alliages ? particules ou grains
  dalliage, cas du TA6V pour les 5 échantillons.
• Un rapport supérieur ou inférieur ? forme ionique
  ou dissolution des débris. Phénomène constaté
  pour Co-Cr-Mo fin de parcours et en surface
• Comportement chimique différent des débris
  suivant leur alliage.

Évolution du rapport Co/Cr en surface (à droite)
et suivant la profondeur de pénétration (à
gauche). Échantillon 4.
13
Le rapport concentration titane-cobalt un indice
sur le comportement de la synoviale.
Surface
Profil
échantillon 2 3 4
Rapport moyen Ti/Co 123 110 133
Ecart type 23 30 50
échantillon 2 3 4
Rapport moyen Ti/Co - 354 123
Ecart type - 64 24

• Surface aucune corrélation entre Ti et Co ?
  débris ioniques, grains, dissolution ? usure par
  frottement et corrosion.
• Profil corrélation entre Ti et Co ? débris sous
  forme de grain ?phénomène de barrage ionique en
  surface.
• Dispersion ? variation de dissolution alliage
  Co-Cr-Mo

14
Histologie
Matrice extra-cellulaire débris métalliques,
polyéthylène, macrophages, cellules géantes.
Tissu fibreux (fibroblastecollagène)
Cellule adipeuse
Cellules géantes contenant un débris de
polyéthylène, TA6V.
Répartition des débris métalliques dans la
matrice.
15
Bilan sur le comportement du tissu de maintien
face aux débris

• Informations récoltées en profondeur
• Migration sur plusieurs milliers de µm, liée à la
  concentration.
• Ti, V, Co, Cr même parcours.
• RapportsTi/V et Ti/Co similaires au rapports des
  alliages.
• Corrélation entre Ti et Co.
• Dissolution en fin de parcours.
• Contamination majoritaire sous forme de grains de
  TA6V et de Co-Cr-Mo.

• Informations récoltées en surface
• Pollution hétérogène.
• Teneur différente en surface/profil.
• Rapport Ti/V proche du rapport théorique du TA6V.
  
• Variation du rapport Co/Crprésence dions ou
  dissolution des débris.
• Pas de relation entre le rapport Ti/Co en surface.

• Différence profil/surface lié au comportement de
  barrière déchange ionique et de filtration de
  la synoviale.

16
Schéma récapitulatif
17
Schéma récapitulatif

Usure (frottement, corrosion).
Barrière déchange, de filtration, immunitaire.
Migration des débris sous forme de grain
majoritairement.
18
Conclusion

• Contamination majeure titane (liée au couple
  Co-Cr-Mo TA6V, frottement)
• Nature/quantité ?
• Profondeur de migration des débris facteur
  quantitatif .
• Pollution importante ? organes filtres.
• Amélioration de lalliage titane .