Exploration des propriétés des matériaux, de la résistance à la stérilisation et des applications médicales du polyétheréthercétone (PEEK)

Article rédigé par : Sisi Leung

1. Introduction

Les polymères de polyaryléthercétone (PAEK) englobent un groupe polyvalent de matériaux, la polyétheréthercétone (PEEK) se distinguant comme un polymère privilégié dans divers domaines médicaux tels que l'orthopédie, les soins de traumatologie et les implants vertébraux (Kurtz, 2012). Cet article explore les propriétés thermiques, la biocompatibilité, la résistance à la stérilisation à la vapeur et aux rayons gamma, ainsi que les applications en médecine du PEEK.

Fig. 1 : Image de filament en PEEK.

Propriétés thermiques

Avec une structure moléculaire de (C19​H12​O3​)n​ et une structure chimique telle qu'illustrée à la Fig. 2a, le PEEK présente un ensemble de caractéristiques souhaitables, notamment son exceptionnelle résistance à la chaleur. Malgré sa rigidité découlant du squelette benzénique aromatique, les chaînes moléculaires du PEEK présentent une flexibilité et une rotation autour des liaisons éther et carbone-cétone. Lors d'un refroidissement progressif à l'état fondu, le PEEK forme des microstructures amorphes désordonnées ainsi que des formations cristallines ordonnées cruciales pour son intégrité matérielle, comme le montre la Fig. 2b (Kurtz, 2012). 

Fig. 2a (gauche) : structure chimique du PEEK (Carbon, 2024). Fig. 2b (droite) : Représentation schématique avec les structures amorphes et cristallines du PEEK (Kurtz, 2012).

Kurtz (2012) met en évidence quatre transitions thermiques cruciales dans les processus de chauffage des polymères : la température de transition vitreuse (143 °C), la température de fusion (343 °C), la température d'écoulement (400 °C) et la température de recristallisation (280 °C – 320 °C) (Tardif et al., 2014) (Victrex, 2016). Ces transitions, qui se produisent bien au-dessus du point d'ébullition de l'eau et des températures médicales pratiques, soulignent la robuste résistance à la chaleur du PEEK. Le squelette aromatique du polymère, composant central de son unité monomère, assure sa stabilité lors de divers traitements. Cependant, un refroidissement rapide peut induire la poursuite d'une cristallisation ou d'une recristallisation non souhaitée, entraînant une perte de volume, une augmentation de la densité et un retrait des composants, rendant le matériau impropre à l'utilisation. Par conséquent, un contrôle précis de la température lors de la transformation du PEEK est impératif pour obtenir des performances optimales du produit.

Biocompatibilité

Compte tenu des applications cliniques du PEEK, sa biocompatibilité apparaît comme un facteur critique. La biocompatibilité évalue les propriétés non toxiques, non mutagènes, non cancérogènes et non immunogènes d'un biomatériau (Toth, 2019). Des études approfondies administrant du PEEK à des modèles animaux ont été réalisées pour démontrer sa biocompatibilité.

Les évaluations de toxicité impliquant des implantations sous-musculaires et sous-cutanées chez le rat et le lapin ont révélé des réactions minimales, sans lyse cellulaire ni effets indésirables par rapport aux témoins sans PEEK (Williams et al., 1987) (Wenz et al., 1990). D'autres recherches sur la prolifération et l'attachement des fibroblastes ont démontré la capacité du PEEK à améliorer les processus de traitement sans induire de cytotoxicité ni de dommage pour l'individu (Hunter et al., 1995).

Les études sur le potentiel de mutagénèse chez les mutants de Salmonella typhimurium ont indiqué que le PEEK ne provoquait pas de réponses mutagènes. En effet, l'administration de PEEK n'a pas permis aux variants génotypiques de Salmonella typhimurium présentant une mutation dans leur opéron histidine de se développer dans des environnements dépourvus d'histidine (Katzer et al., 2002).

De plus, les études d'immunogénicité ont souligné la nature non inflammatoire du PEEK, avec de rares cas signalés de réponses immunitaires aux implants en PEEK attribués à des réactions allergiques plutôt qu'à une immunogénicité intrinsèque (Maldonado-Naranjo et al., 2015) (Kofler et al., 2016). Ces résultats s'associent aux preuves de l'absence de nécrose ou de gonflement après des injections de PEEK au niveau de la moelle épinière et des racines nerveuses chez le lapin, ainsi qu'à une activité cellulaire inflammatoire locale limitée sur le site d'injection et à un aspect normal des cellules nerveuses (Rivard et al., 2002), comme le montrent les Fig. 4 et 5. De telles observations suggèrent que les individus immunocompétents ne devraient pas présenter d'allergie au PEEK, et que ce dernier ne devrait pas provoquer de réponses immunogènes graves, ce qui met une fois de plus en évidence les propriétés non immunogènes du PEEK.

Fig. 3 (gauche) : fort grossissement de la racine nerveuse de lapin test, montrant l'accumulation de quelques cellules inflammatoires autour des particules de PEEK dans le tissu conjonctif quatre semaines après la chirurgie. Fig. 4 (droite) : fort grossissement de la racine nerveuse de lapin témoin, montrant un aspect normal quatre semaines après la chirurgie (tissu de la moelle épinière, ST).

 2. Impression 3D utilisant le PEEK

Dans l'étude explorant l'impact de la vitesse d'extrusion et de la vitesse d'impression sur l'utilisation du matériau PEEK en impression 3D pour la stabilité des produits, il a été découvert que la corrélation entre la vitesse d'extrusion et le diamètre du filament influence de manière significative la stabilité du produit. Comme le détaille la recherche de Wu et al. (2015), une vitesse d'extrusion élevée déclenche des fluctuations du diamètre du filament extrudé, compromettant par la suite la précision dimensionnelle et la qualité de surface. Inversement, une pression de fusion accrue pendant l'impression réduit les défauts de surface du filament extrudé en garantissant la régularité des dimensions du filament, élevant ainsi la qualité globale de l'impression (Geng et al., 2019). Bien qu'une force d'extrusion fluctuante puisse perturber la stabilité de l'extrusion, l'intégration d'algorithmes de contrôle optimisés peut atténuer ce phénomène en améliorant la stabilité, la précision dimensionnelle et la qualité de surface des composants en PEEK imprimés. En ajustant précisément la vitesse d'extrusion en fonction du diamètre du filament et en régulant la pression de fusion, ces algorithmes atténuent efficacement les fluctuations du processus d'extrusion, ce qui se traduit par une précision accrue, des surfaces plus lisses et une meilleure stabilité globale des pièces imprimées (Geng et al., 2019). Cette approche globale souligne l'importance d'un réglage fin des paramètres d'extrusion et de leur contrôle complexe pour obtenir des résultats d'impression optimaux avec le matériau PEEK.

Résistance à la vapeur et au rayonnement gamma

La stérilisation est une étape essentielle précédant l'implantation médicale, généralement réalisée par des méthodes à la vapeur et par rayonnement gamma. La stérilisation à la vapeur peut introduire de l'humidité dans les polymères par action capillaire, modifiant leurs propriétés physiques et mécaniques par le biais d'une expansion de dilatation et en induisant des contraintes (Ray, 2006). À l'inverse, le rayonnement gamma induit une scission de chaînes, ce qui améliore la cristallinité du polymère par réticulation. Si le polymère irradié est fondu et subit une recristallisation, la présence de liaisons croisées induites par l'irradiation inhibe le processus de cristallisation normal. Cette interférence perturbe la formation de régions cristallines distinctes, entraînant des modifications des propriétés mécaniques du polymère (Premnath et al., 1999).

Malgré ces effets, des études ont montré que le PEEK stérilisé conserve des valeurs constantes de module d'élasticité et de dureté (Godara et al., 2007), ce qui indique sa résistance aux processus de stérilisation et son adéquation aux applications médicales.

3. Applications en médecine

Le polyétheréthercétone (PEEK) se distingue dans les applications médicales en raison de ses propriétés uniques qui lui permettent d'être facilement conçu et façonné avec une grande précision et complexité, contrairement au maillage en titane et aux greffes osseuses, ce qui permet des conceptions précises et complexes pour la reconstruction des défauts maxillo-faciaux, crâniens et fronto-orbito-temporaux (Hanasono et al., 2009).

Kim et al. (2009) ont reconstruit avec succès les défauts de quatre patients en utilisant des implants en PEEK sur mesure, obtenant d'excellents résultats esthétiques et fonctionnels sans symptômes postopératoires indésirables tels qu'une infection, une extrusion ou un mauvais positionnement. De même, Jalbert et al. (2009) ont démontré l'efficacité du PEEK dans la reconstruction primaire optimale lors de la résection de grandes lésions fronto-orbitaires en 2014, obtenant des résultats supérieurs tout en réduisant le temps opératoire et la morbitité sur le site donneur.

Fig. 5 : Implant en PEEK utilisé pour la reconstruction orbito-zygomatique et maxillaire après un traumatisme maxillo-facial ; A) Implant orbito-zygomatique maxillaire en PEEK LT1 ; B) Implant en PEEK après l'implantation.

Dans le domaine de la dentisterie, le PEEK gagne du terrain en raison de sa résistance aux contraintes mécaniques dans la cavité buccale. Lee et al. (2012) ont étudié la réduction des contraintes et les limites de fatigue des implants dentaires en PEEK, révélant des limites de fatigue impressionnantes qui dépassent les normes ISO pour les restaurations de dents postérieures. Cela souligne l'avenir prometteur du PEEK en tant que matériau pour les implants dentaires.

En orthopédie, des études menées par Steinberg et al. (2013) ont mis en évidence les propriétés biomécaniques comparables des implants en CF-PEEK Optima associés à de la zircone, à une tête fémorale en alumine ou en Co/Cr/Mo par rapport aux dispositifs en titane, démontrant ainsi le potentiel du PEEK à réduire la fréquence de remplacement des implants. De plus, Li et al. (2015) ont loué le CFR-PEEK en tant que matériau pour implants orthopédiques en raison de sa biocompatibilité, de sa durabilité mécanique et de son profil d'innocuité, ce qui conforte son utilisation dans les applications orthopédiques.

De plus, l'utilisation du PEEK dans la chirurgie de la discopathie cervicale a révolutionné les traitements en atténuant des problèmes tels que l'enfoncement (subsidence) et la réabsorption osseuse associés aux greffes osseuses autologues. Les cages en PEEK offrent une résistance à la corrosion, une élasticité semblable à celle de l'os naturel (Hee & Kundnani, 2010) et permettent le stockage de tissus tels que l'os de banque et les allogreffes, ce qui contribue à stabiliser la colonne antérieure de la colonne lombaire ou cervicale (Klimo & Peelle, 2009). Des études comparant le PEEK à des cages en titane et en fibre de carbone, telles que les travaux de Cabraja et al. (2012) entre 2002 et 2007, ont démontré des résultats comparables entre les cages en PEEK et les cages en titane dans le traitement de la discectomie et de la fusion cervicales antérieures. En outre, une étude a indiqué qu'une discectomie et une fusion antérieures avec une cage en PEEK amélioraient de manière significative un patient atteint de courbure rachidienne (Zhou et al., 2010), comme le montre la Fig. 7, renforçant la viabilité du PEEK en tant que matériau pour les dispositifs médicaux.

Fig. 6 : La cage en PEEK a restauré et maintenu avec succès la courbure rachidienne tout au long du processus de récupération, car il existe une différence significative dans le degré de courbure rachidienne entre avant la chirurgie (a) (3,86 ± 0,87 mm) et immédiatement après la chirurgie (b) (8,91 ± 0,93 mm). En revanche, la différence du degré de courbure rachidienne entre immédiatement après la chirurgie (b), 6 mois après la chirurgie (c) (8,78 ± 1,01 mm) et l'examen de suivi final (d) (8,82 ± 0,97 mm) n'était pas significative.

Récentes avancées ont étendu les applications du PEEK au traitement des maladies cardiaques, comme l'illustre l'étude menée par Leat & Fisher (1994) sur une nouvelle géométrie pour les valvules cardiaques à feuillets en polyuréthane. En utilisant un cadre en PEEK doté d'une conception de feuillets spécialisée, elle a démontré des performances hydrodynamiques améliorées, des chutes de pression moindres requises pour ouvrir les feuillets et des caractéristiques d'ouverture des feuillets plus fluides, ce qui suggère des améliorations potentielles dans les technologies des valves cardiaques.

4. Conclusion

En conclusion, le PEEK a consolidé sa réputation d'atout inestimable dans le domaine médical. Témoin de ses propriétés thermiques exceptionnelles, de sa biocompatibilité avérée et de sa robuste résistance aux procédés de stérilisation, le PEEK s'impose comme un matériau polyvalent doté d'une pléthore d'attributs recherchés pour la fabrication de produits médicaux. Son adaptabilité est soulignée lorsqu'il est utilisé en orthopédie, en traumatologie, dans les implants rachidiens et même dans les avancées des applications cardiaques, ce qui souligne son importance pour l'amélioration des résultats des patients et le progrès de l'innovation médicale. Alors que la recherche et le développement dans le domaine médical se poursuivent, le PEEK restera sans aucun doute un concurrent incontournable dans la fabrication de dispositifs et de traitements médicaux, offrant une excellente combinaison de résistance, de biocompatibilité et de fiabilité qui en fait le choix privilégié des professionnels de santé.

5. Références

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