DÉFI DU CLIENT
Situé à l’hôpital orthopédique en affiliation avec le département de chirurgie orthopédique de l’Université de Californie à Los Angeles (UCLA), l’Implant Performance Lab (laboratoire de réalisation des implants) propose des recherches et une formation dans le domaine de la biomécanique des implants orthopédiques. Le groupe est spécialisé dans la compréhension et la simulation des performances in-vivo des implants orthopédiques, en identifiant les relations clés entre la biomécanique des implants, les techniques chirurgicales et les résultats cliniques, et en construisant des modèles pour étudier ces interactions. L’équipe soumet les dispositifs aux forces et aux moments qu’ils subiront pendant l’utilisation clinique, dans le but de prédire avec précision les performances cliniques.
Les développeurs d’implants exécutent une grande variété d’essais de résistance, de fatigue et d’usure pour comprendre et caractériser les performances prévues du dispositif. Ces résultats font souvent partie de l’ensemble des informations soumises au cours du processus d’approbation réglementaire.
« Ces essais sont essentiels pour mettre un dispositif sur le marché, mais ce type d’essai doit être constamment mis à jour et amélioré pour garantir que le dispositif sera exempt d’autres problèmes au fil du temps », a déclaré Sophia Sangiorgio, PhD, Implant Performance Lab. « Par exemple, avec une arthroplastie totale de la hanche, la défaillance par fatigue de la tige fémorale était assez courante dans les années 1970. En conséquence, les tiges fémorales sont aujourd’hui fabriquées pour avoir une excellente résistance à la fracture de fatigue.
« Cependant, au fil des ans, les attentes et les niveaux d’activité des patients ont augmenté, entraînant d’autres types d’échec de l’implant, tels que le descellement ou la luxation, qui est tout aussi catastrophique pour le patient qu’une rupture de tige », a ajouté Sangiorgio. « Nous nous concentrons sur des scénarios comme celui-ci pour aider les chirurgiens et les développeurs de dispositifs à améliorer les résultats pour les patients. »
L’Implant Performance Lab est une composante du Centre de recherche orthopédique J. Vernon Luck de l’hôpital orthopédique, qui comprend un certain nombre de laboratoires spécialisés dans différents aspects de la recherche orthopédique. Il s’agit notamment de la tribologie des surfaces de roulement, de l’analyse des particules d’usure, de l’analyse du retrait d’implants, de la biomécanique de la cicatrisation des os et des tissus conjonctifs, ainsi que de la modélisation informatique. Selon Eddie Ebramzadeh, PhD, directeur de l’Implant Performance Lab, les essais mécaniques offrent plusieurs avantages par rapport aux autres approches pour évaluer les performances des implants.
« Les animaux sont trop petits ; l’évaluation des prototypes chez les patients n’est pas appropriée, et il est souvent difficile d’utiliser des modèles informatiques pour reproduire les environnements biologiques très complexes impliqués dans le système musculo-squelettique humain », a déclaré Ebramzadeh. « Mais la modélisation mécanique est idéale pour notre travail, car dans le corps, les os, les muscles et les tissus interagissent de manière mécanique. Toutefois, le succès de cette approche dépend de la précision et de la reproductibilité de la conception et de la réalisation de nos essais mécaniques. »
SOLUTIONS MTS
L’Implant Performance Lab utilise une variété de bâtis de charge MTS, de logiciels d’essai et de systèmes de commande pour prendre en charge ses essais biomécaniques. Les dispositifs orthopédiques en cours de développement sont implantés dans des os synthétiques ou des constructions cadavériques, qui sont ensuite montés dans les systèmes d’essai avec des dispositifs conçus sur mesure et soumis à des charges et des mouvements physiologiques, parfois sur des milliers, voire des millions de cycles.
Les recherches menées par l’équipe touchent pratiquement tous les domaines du système musculo-squelettique humain, y compris les articulations de la hanche, du genou et de la cheville, ainsi que la colonne vertébrale, le fémur, le tibia, le coude et la main.
Cinq stations d’essais mécaniques prennent actuellement en charge un programme d’expérimentation chargé, y compris deux bâtis de charge uniaxiale, dont l’un a été converti en un simulateur d’usure d’arthoplastie discale personnalisé, ainsi qu’un simulateur d’usure par frottement pour modéliser le micromouvement aux interfaces de fixation d’implant. Un bâti de charge biaxial est également utilisé pour évaluer la fixation et la stabilité des arthroplasties de la hanche, du genou et de la colonne vertébrale. Le système biaxial est utilisé pour appliquer des charges de torsion et axiales, et les plateformes personnalisées permettent l’application de moments de flexion et d’autres protocoles de charge physiologique complexes spécifiques à chaque emplacement anatomique.
Le laboratoire est également équipé d’un simulateur d’usure de disque de colonne vertébrale MTS à six stations et d’un système de test cinématique de colonne vertébrale MTS, qui facilite les simulations sur huit degrés de liberté. Ces systèmes sont utilisés pour évaluer plusieurs conceptions de dispositifs de stabilisation dynamique postérieure pour la colonne lombaire. Récemment, les chercheurs ont évalué différentes techniques chirurgicales pour corriger la déformation de la colonne vertébrale chez les adolescents, un problème biomécanique complexe.
« Notre équipement d’essai mécanique nous donne confiance dans notre capacité à simuler avec précision et de manière reproductible les conditions in vivo et chirurgicales pour de nombreux implants de remplacement articulaire et dispositifs de fixation de fracture », a déclaré Sangiorgio.
AVANTAGES CLIENTS
Selon Ebramzadeh, les capacités actuelles d’essais mécaniques de son équipe correspondent bien à l’accent mis par le laboratoire sur la résolution des problèmes quotidiens qui présentent un intérêt immédiat pour la communauté orthopédique.
« Nous sommes bien équipés pour soutenir l’accent que nous mettons sur l’application clinique pratique », a déclaré Ebramzadeh. « Nos capacités nous permettent d’évaluer les performances des implants d’une manière qui servira au mieux les chirurgiens orthopédistes et leurs patients. »
« Combinés à l’équipe expérimentée d’ingénieurs, de biologistes et de chirurgiens actifs au Luck Research Center (centre de recherche Luck), nous sommes en mesure de fournir des recherches utiles à la communauté orthopédique », a poursuivi Ebramzadeh. « Nous avons acquis la réputation de fournir des données d’essai hautement prédictives des performances d’un implant au cours de sa durée de vie fonctionnelle. »
L’Implant Performance Lab est également devenu un lieu convoité pour les étudiants en ingénierie de la région de Los Angeles. Sangiorgio attribue cet attrait à la nature translationnelle de l’œuvre.
« Les étudiants ont la possibilité de travailler avec les dernières technologies orthopédiques et d’acquérir une expérience pratique et réaliste qui n’est pas disponible dans les programmes d’ingénierie qui se concentrent principalement sur la théorie », a déclaré Sangiorgio. « Il est évident que notre recherche peut améliorer la qualité de vie d’un patient, ce qui rend le travail à la fois passionnant et significatif pour toutes les personnes impliquées. »
