Application d’un nouvel implant poreux en tantale dans un modèle de fusion vertébrale lombaire antérieure chez le lapin : expériences in vitro et in vivo
Les chirurgies de fusion vertébrale visent à assurer la stabilité et la décompression dans les conditions dégénératives, traumatiques ou déformatives de la colonne vertébrale. Cependant, des défis tels que la pseudarthrose (incidence de 5 à 35 %) et les limitations des greffes osseuses persistent. L’os autologue reste l’étalon-or, mais il comporte des risques de morbidité au site donneur et une disponibilité limitée. Les allogreffes et les substituts synthétiques sont confrontés à des problèmes tels que le rejet immunitaire, une mauvaise biodégradabilité ou des propriétés mécaniques inadéquates. Le tantale poreux a émergé comme une alternative prometteuse en raison de sa biocompatibilité, de son ostéoconductivité et de sa similarité mécanique avec l’os. Cette étude évalue un nouvel implant en tantale poreux synthétisé par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) et des structures tricotées en fil métallique pour la fusion intervertébrale lombaire chez le lapin, en comparant ses performances aux autogreffes et aux contrôles de discectomie.
Matériel et méthodes
Fabrication de l’implant en tantale poreux
Les implants en tantale poreux (Ning Xia Orient Tantalum Industry Co. Ltd, Chine) étaient cubiques (dimensions de 2,5 à 3,0 mm) avec des pores interconnectés d’une taille moyenne de 500 μm. La structure présentait un treillis en forme de diamant formé par du tantale déposé par CVD sur un cadre de fil tricoté, atteignant une porosité de 86,8 %. La microscopie électronique à balayage (MEB) a révélé des surfaces rugueuses et une architecture de pores ouverts propices à la croissance osseuse. La spectroscopie à rayons X à dispersion d’énergie a confirmé une composition de tantale pur sans contaminants. Le module de Young (0,6 GPa) correspondait étroitement à celui de l’os humain.
Tests de biocompatibilité in vitro
Des cellules souches mésenchymatesques dérivées de la moelle osseuse (BMSC) de lapins ont été cultivées sur du tantale poreux. La prolifération cellulaire et la toxicité ont été évaluées à l’aide d’essais de kit de comptage cellulaire (CCK-8). La MEB a évalué l’adhésion et la morphologie des cellules. Les lixiviats des implants en tantale ont été testés pour la cytotoxicité en comparant la viabilité des BMSC aux témoins.
Modèle chirurgical in vivo
Vingt-quatre lapins de Nouvelle-Zélande ont subi une discectomie antérieure aux niveaux L3–L4, L4–L5 et L5–L6. Chaque niveau a été randomisé en trois groupes :
- Témoin : Discectomie uniquement.
- Autogreffe : Discectomie + os autologue de la crête iliaque.
- Tantale : Discectomie + implant en tantale poreux.
Les lapins ont été sacrifiés à 2, 4, 6 et 12 mois postopératoires (n = 6 par point temporel). La fonction neurologique a été surveillée à l’aide d’un système de notation standardisé (0–4).
Évaluation radiographique et histologique
La micro-tomodensitométrie (micro-CT) a évalué la fusion en utilisant les critères de Brantigan-Steffee :
- Os plus dense dans la zone de fusion.
- Aucune radiolucidité aux interfaces implant-os.
- Pontage trabéculaire.
Les scores d’indice de fusion (0–3) ont été attribués selon la classification de Bridwell. Les sections histologiques colorées au bleu de toluidine et à l’hématoxyline-éosine ont évalué le pontage osseux, l’ostéonécrose et les réponses inflammatoires.
Résultats
Résultats in vitro
Les essais CCK-8 n’ont montré aucune toxicité, avec des valeurs d’absorbance similaires entre les lixiviats de tantale et les témoins (1,25 ± 0,06 vs. 1,23 ± 0,04, P = 0,545). Les images MEB ont révélé que les BMSC adhéraient aux surfaces de tantale avec une morphologie fusiforme, formant des couches continues et infiltrant les pores (Figure 8).
Résultats chirurgicaux
Tous les lapins ont récupéré sans déficit neurologique (score = 0). Un cas d’infection de l’incision et une hernie abdominale ont été résolus avec traitement.
Fusion radiographique
- Groupe témoin : Aucune fusion (score = 0 à tous les points temporels).
- Groupe autogreffe : Les scores sont passés de 1,11 ± 0,68 à 2 mois à 2,89 ± 0,32 à 12 mois (P < 0,001).
- Groupe tantale : Les scores sont passés de 1,11 ± 0,32 à 2 mois à 2,83 ± 0,38 à 12 mois (P < 0,001), sans différence significative par rapport à l'autogreffe à 12 mois (P = 0,709).
La micro-CT a démontré une fusion progressive :
- 2 mois : Zones radiolucentes autour des implants (non-union).
- 4 mois : Fusion partielle avec formation de nouvel os.
- 6 mois : Pontage trabéculaire (fusion partielle).
- 12 mois : Fusion complète avec pontage osseux envahi (Figure 4D).
Analyse histologique
À 12 mois :
- Témoin : Tissu fibreux remplissant les espaces intervertébraux (non-union).
- Autogreffe : Ponts osseux continus avec formation de cartilage et ossification enchondrale (Figure 6B).
- Tantale : L’os trabéculaire a infiltré les pores de l’implant, formant un contact direct os-implant sans dégradation, ostéolyse ou inflammation (Figure 6C, 7B).
Discussion
Biocompatibilité et ostéoconductivité
La porosité élevée du tantale (86,8 %) et les pores interconnectés ont facilité l’adhésion, la prolifération et la différenciation ostéogénique des BMSC. Les surfaces rugueuses ont amélioré l’ancrage cellulaire, tandis que l’absence de lixiviats toxiques a confirmé la biocompatibilité. Ces résultats concordent avec les études antérieures montrant la capacité du tantale à stimuler l’activité des ostéoblastes.
Performance de la fusion
Les groupes autogreffe et tantale ont atteint 100 % de fusion histologique à 12 mois, surpassant les cages en PEEK et en titane, qui présentent souvent une encapsulation fibreuse. Les propriétés mécaniques de l’implant en tantale (module élastique ≈ os) ont probablement réduit le stress shielding, favorisant une distribution physiologique de la charge et un remodelage osseux.
Avantages comparatifs par rapport aux matériaux existants
- Autogreffes : Le tantale a éliminé la morbidité au site donneur tout en égalant les taux de fusion.
- Allogreffes/Xénogreffes : Aucun risque de rejet immunitaire.
- PEEK/Titane : L’ostéoconductivité du tantale et sa radiolucidité (contrairement au titane) ont amélioré l’évaluation de la fusion.
Limitations et orientations futures
Bien que les tests biomécaniques aient été omis pour préserver les échantillons histologiques, les études futures devraient évaluer la capacité de charge. Des essais humains à long terme sont nécessaires pour confirmer l’efficacité clinique et aborder les complications potentielles tardives.
Conclusion
Ce nouvel implant en tantale poreux a démontré une excellente biocompatibilité, ostéoconductivité et efficacité de fusion dans un modèle lombaire de lapin. Ses performances ont égalé celles des autogreffes, avec une intégration osseuse complète et aucune réaction indésirable. La porosité personnalisable et les propriétés mécaniques le positionnent comme une alternative prometteuse pour la fusion intervertébrale, potentiellement réduisant les taux de pseudarthrose et améliorant les résultats pour les patients.
doi.org/10.1097/CM9.0000000000000030