Validation d'un fixateur extramédullaire pour l'ostéogenèse par distraction chez les patients pédiatriques

La distraction osseuse est une procédure chirurgicale employée pour corriger l'asymétrie de patients atteints d'une inégalité de longueur des membres inférieurs. Cette technique consiste en l'espacement graduel de segments osseux, suite à une corticotomie de l'os à allonger. La distraction de l'os et sa stabilisation sont contrôlées par un fixateur extensible. Entre autres, le fixateur externe de type Iizarov est le plus utilisé en orthopédie pédiatrique. Cependant, il est encombrant et son aspect percutané entraîne des infections et des cicatrisations excessives. L'utilisation de fixateur intramédullaire remédie à ce type de problème, mais seulement chez l'adulte. En effet, son utilisation chez les enfants n'est pas possible car son installation endommagerait les plaques épiphysaires, ce qui altérerait le processus de croissance de l'enfant. Il n'existe actuellement pas de solution commercialisée optimale pour les patients pédiatriques souffrant d'une inégalité de longueur des membres inférieurs. Pour répondre à ce besoin, un fixateur interne extramédullaire composé de plaques télescopiques a été conçu dans le laboratoire de Prof. Isabelle Villemure. Totalement implantable grâce à son mécanisme activé magnétiquement à distance, ce dispositif préserve les plaques épiphysaires et le périoste par son système de fixation à l'aide de vis de verrouillage sur la surface externe de l'os. Son fonctionnement repose sur les mouvements relatifs de trois groupes cinématiquement liés, soit la translation du bloc piston le long du bloc canon grâce à la rotation des pièces standards. Par le biais d'un test de distraction, simulant les forces de résistance des tissus, la première version du dispositif, dite de Polytechnique, a pu générer une force de distraction jusqu'à 735N, ce qui est supérieur à la force maximale de résistance des tissus pour les allongements osseux pédiatriques (673N). Cependant, cette version n'est pas adaptée pour une étude in vivo à cause de sa taille, de la présence de colle non biocompatible et de la présence d'interstices fragilisant le dispositif face à une potentielle infiltration de liquide. L'objectif de ce projet était de concevoir une nouvelle version adaptée pour une étude in vivo. Une version améliorée du fixateur, dite E-kut, a donc été conçue en réduisant en longueur la taille du dispositif pour être en adéquation avec les dimensions d'un fémur de mouton mature, en retirant les interstices et en ajoutant un joint en silicone pour gagner en étanchéité et en affinant la manufacture des pièces par la méthode d'électroérosion proposée par Electro-Kut. La distraction maximale possible est donc réduite et passe de 5cm à 2cm pour la version Polytechnique et celle de E-Kut, respectivement. Trois prototypes de cette version ont été manufacturés. Le premier dispositif (D1) a été irradié au rayon gamma par Nordion et sa stérilité a été testée par Neopharm Labs. Bien que certifié stérile, une présence de résidu et de liquide a été observée après l'ouverture du dispositif. Une analyse du dispositif a déterminé que la cause de cette non-étanchéité était le serrage trop faible entre le canon et son tube. Le deuxième dispositif (D2) a été utilisé pour des tests de distraction classique. Il s'est avéré ne pas pouvoir générer de force de distraction supérieure à 196N, niveau de charge auquel le serrage entre le canon et son tube a cédé. De plus, le bris du réducteur a permis d'identifier un mauvais transfert des charges, qui devrait s'effectuer entre l'accouplement mécanique et le roulement à billes axial, mais qui se faisait entre les axes du réducteur et de la tige filetée. Le troisième dispositif (D3), bénéficiant d'une manufacture plus rigoureuse, a été utilisé pour poursuivre les tests de distraction. Il a été à nouveau impossible de générer des forces de distraction supérieur à 196N, à cause de frottement trop élevé entre le bloc piston et le tube du canon. Afin de continuer les tests sur la version E-kut et déceler de potentiels autres disfonctionnements, un quatrième dispositif (D4) a été confectionné à partir des pièces fonctionnelles des trois autres, tout en éloignant les axes du réducteur et de la tige filetée, afin de corriger le problème de transfert de charge. D4 a subi des tests de distraction classique et s'est avéré ne pas pouvoir générer de force de distraction supérieure à 222N. L'interruption du test a été provoquée par la rupture des serrages entre le piston et son bouchon, et entre le canon et son tube. De plus, un effet ressort non négligeable, i.e. une variation maximum de 1.4mm, a été observé à la pose et au retrait des poids. Les tests sur ces quatre dispositifs ont permis d'identifier trois principaux problèmes nuisant au bon fonctionnement de la version E-kut du dispositif, soient l'effet ressort de l'accouplement mécanique, la liaison encastrement inadéquate entre le canon et son tube et la liaison encastrement inadéquate entre le piston et son bouchon. La version E-kut a donc été modifiée par, premièrement, le renforcement des liaisons encastrement, et donc de l'étanchéité, en ajoutant des soudures entre le canon et son tube et au niveau des bouchons et en implémentant des goupilles au niveau des bouchons (D4+ et D5) et par, secondement, la suppression de l'effet ressort en remplaçant l'accouplement mécanique flexible et la tige filetée par un bloc monolithique (D5). Deux dispositifs (D4+, D5) ont alors été assemblés en combinant de nouvelles pièces fabriquées et des pièces restantes des autres dispositifs. D4+ et D5 ont pu générer une force de distraction jusqu'à 814N, sans signe de défaillance mécanique et avec une vitesse de distraction constante (de 0.1430 ± 0.0049mm/s pour D4+ et 0.1427 ± 0.0047mm/s pour D5) indépendamment de l'augmentation de poids. De plus, aucun effet ressort ne fut observé sur D5 qui possédait le bloc monolithique. La version E-Kut modifiée a donc été démontrée valide mécaniquement. En parallèle à ces travaux, la méthode du test de distraction a été perfectionnée. En effet, l'une des étapes préalables au test de distraction est l'installation de l'os synthétique dans le banc expérimental. Or, le positionnement, qui se faisait visuellement, n'était pas reproductible. C'est pourquoi des socles contenant un moule de la partie proximale de l'os et dont le plan de la base est normal à l'axe souhaité (anatomique ou mécanique) ont été conçus. Pour ce faire, le modèle 3D du fémur artificiel utilisé pour les expériences a été obtenu par rétro-ingénierie. Les modèles des socles ont été créés en conséquence tout en ayant défini préalablement les axes sur CATIA. Ils ont ensuite été imprimés en 3D. Ils assureront un positionnement immédiat de l'os artificiel selon l'axe souhaité pour les futurs tests de distraction. Bien que la version E-Kut améliorée (D5) ait été démontrée valide mécaniquement, des modifications de design supplémentaires sont requises. En effet, l'incorporation d'une butée et d'un embrayage serait nécessaire pour limiter la distraction maximale du dispositif et, par conséquent empêcher le désengagement de la tige filetée du tube du piston. Une réduction en longueur est aussi requise pour pouvoir réaliser un test in vivo sur un mouton pédiatrique (vs adulte), de même qu'une réduction en diamètre est recommandée pour se rapprocher des dimensions des dispositifs sur le marché. Il reste aussi l'ajout du joint en silicone entre la version Polytechnique et E-Kut qui n'a pas pu être validé. Un test d'étanchéité est donc à prévoir. Enfin, pour continuer la validation mécanique du dispositif, sa stabilité biomécanique devra être évaluée à partir de tests de résistance mécanique. Les tests de distraction devront aussi être poursuivis en les réalisant selon l'axe mécanique d'un os artificiel, similairement à l'utilisation clinique prévue. Ainsi l'objectif général a été complété puisqu'une version adaptée pour une étude in vivo a été conçue et validée mécaniquement sous distraction avec chargement. La méthode de stérilisation par irradiation gamma resterait cependant à revalider afin de s'assurer qu'aucun liquide ne s'infiltre à l'intérieur du dispositif D5. Un test préliminaire in vivo sur un mouton adulte permettra de vérifier si la génération du cal osseux se fait sans encombre pendant une distraction avec ce fixateur. Les travaux futurs comprennent également l'amélioration de la manette pour contrôler le dispositif en contexte in vivo.

Abstract

Distraction osteogenesis is a surgical procedure used to treat limb length discrepancies. This technique is based on a bone corticotomy, followed by progressive separation of the resultant bone segments. Extensible fixators are used to distract and stabilize bone segments. The Iizarov type external fixator is the most widely used in pediatric orthopedics. However, it is bulky and increases risk of pin tract infections and scarring. Intramedullary fixators overcome these issues but only for adults' patients. In fact, these fixators are not implantable in children since the growth plates would be damaged upon implantation, hence impeding the child's normal musculoskeletal development. There is currently no optimal commercially available solution for pediatric patients with limb length discrepancies. To meet this need, an internal extramedullary fixator was designed in the laboratory of Prof. Isabelle Villemure. Fully implantable thanks to its remotely magnetic controlled mechanism, this device composed of two telescopic bodies preserves the epiphyseal plates, as well as the periosteum by its fixation system using locking screws on the external surface of the bone. Its operation consists in relative movements of three kinematically linked groups, i.e. the translation of the piston block along the barrel block in response to the rotation of standard parts. A distraction test, simulating tissue resistance forces, was designed and the first version of the device, named Polytechnique, was shown to generate distraction forces up to 735N, which exceeds the value of soft tissue resistance forces in pediatric limb lengthening (673N). Nevertheless, this version is not adapted for an in vivo animal study because of its size, the presence of non-biocompatible glue and the presence of interstices that weaken the device against potential liquid infiltration. Therefore, the goal of this project was to design a new version of the device suitable for in vivo tests. An improved version, named E-Kut, was created by reducing the length of the device to match the dimensions of a mature sheep's femur, removing the interstices and adding a silicone gasket to improve sealing and by refining the manufacture of the parts using the electrical discharge machining proposed by Electro-Kut. The maximum possible distraction is therefore reduced from 5cm to 2cm for the Polytechnique and E-Kut versions, respectively. Three prototypes of this version were manufactured. The first protoptype (D1) was gamma irradiated by Nordion and its sterility was tested by Neopharm Labs. Although certified sterile, some residue and liquid were observed after the device was opened. An analysis of the device determined that the cause of this non-sealing was the insufficient fit between the barrel and its tube. The second device (D2) was used for conventional distraction testing. It was found to be unable to generate a distraction force greater than 196N, the load level at which the fit between the barrel and its tube broke. In addition, the failure of the gearbox identified a wrong load transfer, which should have occurred between the coupling and the axial bearing but was between the shafts of the gearbox and the leadscrew. The third device (D3), benefiting from a more rigorous manufacturing process, was used to proceed the distraction tests. It was again impossible to generate distraction forces greater than 196N, due to excessive friction between the piston block and the barrel tube. In order to continue the tests on the E-kut version and to detect other potential defects, a fourth device (D4) was made from the functional parts of the other three, while taking care to distance the shafts of the gearbox and the leadscrew from each other, in order to correct the load transfer problem. D4 underwent conventional distraction tests and was found to be unable to generate a distraction force greater than 222N. The interruption of the test was caused by the rupture of the fit between the piston and its cap, and between the barrel and its tube. Moreover, a non-negligible spring effect, i.e. a maximum variation of 1.4mm, was observed at the installation and removal of the weights. These tests on four devices allowed us to identify three main problems affecting the correct operation of the E-kut version of the device, i.e. the spring effect of the coupling, the inadequate fit connection between the barrel and its tube, and the inadequate fit connection between the piston and its cap. The E-Kut version was therefore modified to improve further the previous version. Firstly, the fit and the sealing were reinforced by adding welds between the barrel, its tube, and at the caps and also by implementing pins at the caps (D4+ and D5). Secondly, the spring effect was eliminated by replacing the flexible coupling and the leadscrew with a monolithic block (D5). Two devices (D4+, D5) were then assembled by combining new manufactured parts and remaining parts from the other devices. D4+ and D5 could generate a distraction force of up to 814N, without any sign of mechanical failure and with a constant distraction rate (0.1430 ± 0.0049mm/s for D4+ and 0.1427 ± 0.0047mm/s for D5) regardless of the weight increase. Moreover, no spring effect was observed on D5 which had been improved with the monolithic block. The modified E-Kut version was therefore shown to be mechanically valid. In parallel with this work, the distraction test method was improved. In fact, one of the steps prior to the distraction test is the installation of the synthetic bone in the experimental bench However, its placement, which was done visually, was not reproducible. For this reason, supports containing a mold of the proximal part of the bone were designed in such a way that their base plane is normal to the desired axis (anatomical or mechanical). To do this, the 3D model of the artificial femur used for the experiments was obtained by reverse engineering. The models of the supports were created accordingly while having previously defined the axis (anatomical or mechanical) on CATIA. They were then printed in 3D. They will ensure immediate placement of the artificial bone along the desired axis for future distraction tests. Although the improved E-Kut version (D5) has been shown to be mechanically valid, additional design modifications are still required. Indeed, the incorporation of an abutment and a clutch would be necessary to limit the maximum distraction of the device and therefore prevent the disengagement of the leadscrew from the piston tube. A reduction in length is also required to perform an in vivo test on a pediatric (vs adult) sheep femur, and a reduction in diameter is recommended to approach the dimensions of devices on the market. There is also the addition of the silicone gasket between the Polytechnique and E-Kut versions which could not be validated. A tightness test is therefore to be planned. Finally, in order to proceed the mechanical validation of the device, its biomechanical stability will have to be evaluated using resistance tests. Distraction tests will also have to be proceeded by performing them along the mechanical axis of an artificial bone, similarly to the intended clinical use. In summary, the general objective of this project was completed since an adapted version for an in vivo study was designed and mechanically validated under distraction with loading. However, the sterilization by gamma irradiation method would still need to be revalidated to ensure that no liquid infiltrates into the D5 device. A preliminary in vivo test on an adult sheep will allowed us to verify that the generation of the bone callus can be safely achieved during distraction with this fixator. Future work also includes improving the controller to control the device in an in vivo context.