FR3074050A1 - Matrice ceramique d’alumine greffee a un antibiotique - Google Patents

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Abstract

L'invention a pour objet une matrice céramique alumine poreuse greffée avec un antibiotique, notamment vancoymicine, ainsi que son utilisation en thérapie. L'invention a aussi pour objet une prothèse ou un implant avec cette matrice. L'invention a encore pour objet un procédé de préparation d'une matrice selon l'invention.

Description

DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention concerne le domaine des implants chirurgicaux notamment ceux utilisés comme substituts osseux.
ARRIERE-PLAN TECHNIQUE
La survenue d’infections au cours d’interventions chirurgicales, comme notamment la mise en place d’implants, constitue une des préoccupations majeures du milieu médical.
Les implants utilisés actuellement en chirurgie sont de natures diverses : titane, acier inoxydable, polyéthylène, céramique à base d’hydroxyapatite ou autres etc.
Les conditions de développement des bactéries à la surface des implants peuvent être liées en partie à la présence d'éléments nutritifs sous l'influence de la température, de l'humidité, du pH du milieu ainsi qu’à la nature du support. Les surfaces des implants chirurgicaux peuvent représenter des substrats idéaux pour la colonisation bactérienne. Les infections qui en résultent sont notoirement connues pour être difficiles à traiter, l’adhérence des bactéries et la formation du biofilm affaiblissant la sensibilité aux antibiotiques.
Les biofilms bactériens sont des amas structurés de cellules bactériennes enrobés d’une matrice polymérique et attachés à une surface. Le biofilm protège les bactéries et leur permet de survivre dans des conditions environnementales hostiles. Les bactéries du biofilm peuvent résister à la réponse immunitaire de l’hôte et sont généralement très résistantes aux antibiotiques. Plusieurs microorganismes tels que Staphylococcus aureus ou Pseudomonas aeruginosa ont cette capacité à former un biofilm. La présence de biofilms lors d’infections demande donc de nouvelles méthodes de prévention et de traitement.
La phase d’ancrage des bactéries à la surface de l’implant semble être l’étape la plus critique dans le développement d’infections péri prothétiques.
Afin de diminuer cette adhésion bactérienne, il est connu de modifier chimiquement des surfaces métalliques d’implants chirurgicaux. Ainsi, Antoci et al. (V. Antoci Jr. et al. Biomaterials 29 (2008) 4684-4690) et Kruszwski et al. (K.M. Kruszewski et al. Materials Science and Engineering C33 (2013) 20592069) ont fonctionnalisé respectivement des implants en titane TA6V et en acier inoxydable 316L par de la Vancomycine en réalisant une synthèse multi étapes longue.
Ainsi Antoci décrit une synthèse avec les étapes suivantes : passivation (H2O2/H2SO4), aminopropylation avec de l’aminopropyl-triéthoxysilane, couplage avec 2 linkers (espaceurs) Fmoc-AEEA, puis couplage avec de la vancomycine. Kruszwski décrit une synthèse avec les étapes suivantes : traitement par acide octadécylphosphonique, puis par acide octacosanoïque, par triéthylène glycol avec terminaison acide phosphonique acid, puis par pentaéthylène glycol avec terminaison acide phosphonique, par acide 16phosphonohexadécanoïque puis couplage avec de la vancomycine ou de la gentamycine. Cette synthèse aboutit à la formation de multicouches à la surface de l’implant immobilisant l’antibiotique ; ces couches sont parfois appelées SAM pour Self-Assembled Monolayers.
Il existe également des nanoparticules métalliques revêtues de silice fonctionnalisée par de la Vancomycine comme décrit dans Kell et al. (A.J. Kell et al. Chem. Commun., 2007, 1227-1229). Dans cette publication les revêtements silice ont reçu un traitement pour les doter d’une terminaison amino ou carboxylate, qui peut alors se lier à la fonction acide carboxylique ou amine de la fonction vancosamine de la vancomycine.
Des nanoparticules mésoporeuses siliciques également fonctionnalisées par de la Vancomycine ont également été décrites par Qi et al. (ACS Appl. Mater. Interfaces, Publication Date (Web): 16 Oct 2013). Les particules de silice mésoporeuses sont fonctionnalisées par addition d’APS, puis de vancomycine en mélange avec NHS et EDC.
Ces nanoparticules ne sont manifestement pas adaptées à une utilisation comme implant.
On connaît aussi des ciments acryliques (type PMMA) relargant de la vancomycine. Ces derniers sont pour l’heure utilisés par les chirurgiens comme espaceur durant un cours laps de temps et présentent l’inconvénient de devoir être retiré du corps du patient au profit d’un implant. Il n’y a cependant pas de couplage, ce qui n’autorise pas une protection de longue durée.
Enfin, Palchesko et al. (Materials Science and Engineering C 31 (2011) 637-642) décrirait un procédé de couplage de vancomycine sur un support calcium aluminium oxyde (aluminate de calcium).
Il existe un besoin de diminuer encore la capacité de formation de biofilm à la surface d’un implant en céramique d’alumine.
RESUME DE L’INVENTION
L’invention concerne en premier lieu une matrice céramique alumine poreuse greffée avec un antibiotique.
Selon un mode de réalisation, la porosité de la matrice est comprise entre 40 et 80%, de préférence entre 60 et 70%, avantageusement environ 65%.
Selon un mode de réalisation, la taille des pores est de 100 à 900 pm, de préférence de 200 à 600, plus préférentiellement environ 400 pm.
Selon un mode de réalisation, la matrice céramique présente une porosité en volume de 45 à 75%, une taille de pores de 100 à 900pm, la céramique étant obtenue par imprégnation d’une mousse, préfrittage à une température supérieure à 1200°C, surimprégnation par une barbotine, et frittage à une température supérieure à 1500°C, par exemple supérieure à 1600°C.
Selon un mode de réalisation, l’antibiotique est choisi parmi :
- bêtalactamines, notamment amoxicilline, oxacilline, cloxacilline, ceftriaxone, cefotaxime, ceftazidime, piperacilline, imipenen, ertapenem, ceftaroline, aztreonam, cefepime, céfazoline ;
- clofazimine ;
- glycopeptides, notamment vancomycine, ses dérivés, teicoplanine ;
- lipoglycopeptides, notamment dalbavancine, oritavancine, telavancine, daptomycine, de préférence la vancomycine ou un dérivé, et spécifiquement la vancomycine.
Selon un autre aspect de l’invention, la matrice selon l’invention diminue et/ou empêche la prolifération bactérienne et/ou la formation de biofilm bactérien.
Selon un autre aspect de l’invention, la matrice est utilisée en thérapie ou en prophylaxie, notamment dans le traitement des infections osseuses, des cancers des os, en particulier des métastases osseuses.
Selon un mode de réalisation, la matrice est utilisée en thérapie comme blocs de comblements osseux, blocs de corporectomie, cages ou cales intersomatiques du rachis cervical ou lombaire, cales cervicales, cales pour calcanéum, cales d'ostéotomie telles que par les cales tibiales d’addition, cales de dérotation telles que tubérosité tibiale antérieure, de rattrapage, de valgisation, blocs de reconstruction et de comblement, broches, cales et pivots de fixation et d'arthrodèse, pastilles de trépan, blocs d'arthrodèse assurant le maintien de l'espace naturel ou interligne intersomatique, implants spéciaux de reconstruction : bloc de comblement de sinus, plancher et plafond d'orbite, bouchons de craniotomie, implants de comblement et plaques de réhabitation maxillofaciale, et toute pièce anatomique sur laquelle il est possible de réinsérer « nerfs >> ou tissus « facia lata >>.
Selon un autre aspect de l’invention, la matrice est une prothèse ou un implant.
L’invention a encore pour objet un procédé de préparation d’une matrice selon l’invention, comprenant les étapes suivantes :
- réaction d’un diacide sur la matrice céramique alumine ;
- formation d’un ester ;
- transamidification par réaction sur un groupe amine de l’antibiotique.
Selon un mode de réalisation, l’ester est un ester de Nhydroxysuccinimide, de préférence formé en présence de 1-éthyl-3-(3diméthylaminopropyl)carbodiimide.
La présente invention permet de surmonter les inconvénients de l’état de la technique. Elle fournit plus particulièrement un moyen simple et efficace de diminuer la prolifération bactérienne à la surface d’une céramique alumine.
Cela est accompli grâce à un procédé de couplage d’un antibiotique sur une matrice céramique d’alumine.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
La figure 1 représente la vancomycine et le site amine réactif (vancosamine) de celle-ci lors du greffage, situé à l’opposé de la partie efficace de la molécule, représentée avec les interactions.
DESCRIPTION DE MODES DE REALISATION DE L’INVENTION
L’invention est maintenant décrite plus en détail et de façon non limitative dans la description qui suit.
Matrice
La matrice utilisée dans la présente invention est une céramique poreuse à base d’alumine AI2O3.
La porosité (ouverte) de cette céramique peut notamment être comprise entre 40 et 80%, de préférence entre 60 et 70%, avantageusement environ 65%
La taille des pores est typiquement de 100 à 900 pm, de préférence de 200 à 600, plus préférentiellement environ 400 pm.
La porosité/taille des pores est mesurée par porosimétrie mercure. La porosité est définie par la différence entre le volume occupé par les pores sur le volume total, le volume total étant la somme du volume des pores et de l’alumine. La masse d’alumine étant définie par le volume et la masse volumique, en pesant l’échantillon et en connaissant son volume total, on peut déterminer par différence le volume de pores et donc la porosité (ouverte).
La taille de la matrice céramique est variable et peut aller de quelques millimètres à plusieurs centimètres voire dizaines de centimètres ; le volume peut être compris entre 1 et 250 cm3, par exemple entre 5 et 100 cm3.
La résistance mécanique à la compression est avantageusement comprise entre 20 et 60MPa, avantageusement supérieure à 40MPa.
On peut utiliser généralement tout procédé connu de préparation d’alumine poreuse. On peut notamment utiliser un procédé comprenant les étapes suivantes :
- (A) fourniture d’un matériau porogène (type mousse, par exemple mousse polyuréthane, servant à régler notamment la porosité et la taille des pores) et imprégnation du matériau porogène par une suspension de particules céramiques alumine (barbotine d’alumine) éventuellement en mélange avec divers additifs organiques tels que liants, plastifiants et dispersants ;
- (B) séchage en étuve ;
- (C) traitement thermique à basse température (inférieure à 700°C) pour éliminer la mousse et des constituants organiques de la suspension ; puis
- (D) frittage à une température supérieure à 1500°C, par exemple supérieure à 1600°C.
On peut utiliser avantageusement le procédé décrit dans la demande de brevet FR2823674.
Principe actif antibiotique
L’antibiotique qui sera greffé est un antibiotique présentant un groupe fonctionnel amine accessible et présentant une action sur la paroi bactérienne. On préfère les antibiotiques présentant une action sur la paroi plutôt que ceux ayant une action à l’intérieur des bactéries.
Les antibiotiques peuvent être choisis dans la liste suivante, non exhaustive :
- bêtalactamines, notamment amoxicilline, oxacilline, cloxacilline, ceftriaxone, cefotaxime, ceftazidime, piperacilline, imipenen, ertapenem, ceftaroline, aztreonam, cefepime, céfazoline ;
- clofazimine ;
- glycopeptides, notamment vancomycine, ses dérivés, teicoplanine ;
- lipoglycopeptides, notamment dalbavancine, oritavancine, telavancine, daptomycine.
L’antibiotique préféré est la vancomycine et ses dérivés.
Selon la présente invention, l’antibiotique est présent à la surface de la matrice céramique, la surface pouvant être la surface interne de la céramique alumine. L’antibiotique est greffé via des liaisons covalentes.
Procédé de greffage
Le procédé de greffage permet de lier par des linkers (ou espaceurs) l’antibiotique avec un groupe fonctionnel amine sur la surface de la céramique alumine.
La première étape comprend la mise en contact d’un diacide dans un solvant approprié. Le solvant peut être du tetrahydrofurane (THF). Le diacide peut être un diacide aliphatique comprenant, hors les fonctions acides, de 4 à 14 atomes de carbone, par exemple 8 et être l’acide 1,10décanedicarboxylique. L’excès de solvant est retiré par évaporation poussée. De cette première étape résulte le greffage des espaceurs à la surface en utilisant deux groupements hydroxyle présents à la surface.
La seconde étape consiste en la formation d’un ester de Nhydroxysuccinimide (NHS). On place la céramique modifiée à l’acide dans une solution de N-hydroxysuccinimide (NHS) avec du 1-éthyl-3-(3diméthylaminopropyl)carbodiimide (EDC), dans un tampon par exemple d’acide 2-(N-morpholino)éthanesulfonique (MES), par exemple à température ambiante pendant un temps compris entre 10 minutes et 2 heures. La combinaison EDC/NHS est connue pour la fixation de biomolécules. A l’issue de cette seconde étape on obtient un ester de NHS.
La troisième étape est le couplage de l’antibiotique. Une fonction amine accessible, en application des principes d’encombrement stérique, va alors réagir avec l’ester de NHS pour former une liaison amide, par transamidification. Le solvant de réaction peut être le tampon MES ou un solvant organique comme l’éthanol. La température de réaction est par exemple la température ambiante. La durée de réaction est par exemple comprise entre 1 et 48 heures. Les pastilles sont ensuite lavées, par exemple avec le même solvant puis nettoyées et séchées de façon classique.
Dans le cas de la vancomycine, le site réactif est la fonction vancosamine liée au glucose. Cette partie réactive est identifiée à la figure 1, avec l’indication des interactions entre la vancomycine et les résidus D-ala-Dala du peptidoclycane de la paroi bactérienne.
Applications.
L’invention trouve à s’appliquer dans un grand nombre de d’utilisations, notamment en traumatologie pour les reconstructions de fractures, en orthopédie en tant qu'éléments de comblement, ou comme implants (de fusion du rachis, etc.), pour des ostéotomies d'addition et pour les reconstructions (par exemple maxillo-faciale) et notamment pour les interventions dans le cadre de traitement de cancers de l’os, primaires ou secondaires.
L'invention autorise la fabrication de nombreux substituts osseux et implants, qui peuvent être utilisés comme par exemple en tant que cales d’addition ou en comblement osseux sur l’ensemble du squelette.
Par exemple on peut citer comme application celles des blocs de comblements osseux, blocs de corporectomie, cages ou cales intersomatiques du rachis cervical ou lombaire, cales cervicales, cales pour calcanéum, cales d'ostéotomie (par ex. les cales tibiales d’addition), cales de dérotation (par ex. tubérosité tibiale antérieure), de rattrapage, de valgisation, blocs de reconstruction et de comblement, cales et pivots de fixation et d'arthrodèse, pastilles de trépan, blocs d'arthrodèse assurant le maintien de l'espace naturel ou interligne intersomatique, implants spéciaux de reconstruction : bloc de comblement de sinus, plancher et plafond d'orbite, bouchons de craniotomie, implants de comblement osseux quel que soit le lieux d’implantation sur le squelette, et de façon générale toute pièce de forme anatomique sur laquelle il est possible de réinsérer « nerfs >> ou tissus « facia lata >> quels que soit le lieu d’implantation sur le squelette.
Le greffage de l’antibiotique tel que la vancomycine sur la céramique permet de diminuer le risque de colonisation du matériau par les germes sensibles à la Vancomycine. La vancomycine greffée interagit avec les D-alaD produits par la bactérie et empêche les transpeptidases bactériennes (protéine liant les pénicillines) de former le peptidoglycane. La bactérie ne peut donc pas fabriquer sa paroi et est lysée.
Un intérêt particulier de l’invention est une protection au long cours de l’implant pour éviter une colonisation (i) lors de l’implantation mais aussi (ii) dans le temps étant donné le greffage covalent de la molécule.
Exemple
L’exemple suivant illustre l’invention sans la limiter.
Etape 1 :
Des pastilles de céramique alumine ont été placées dans une solution d’acide 1,10-décanedicarboxylique dans du THF (tetrahydrofurane) sec à température ambiante. L’excès de solvant a été retiré par placement au four.
De cette première étape résulte le greffage des espaceurs à la surface en utilisant deux groupements hydroxyle présents sur cette surface.
Etape 2 :
Les pastilles modifiées à l’acide 1,10-décanedicarboxylique ont ensuite été placées dans une solution de 1-éthyl-3-(3diméthylaminopropyl)carbodiimide (EDC) / N-hydroxysuccinimide (NHS) dans un tampon d’acide 2-(N-morpholino)éthanesulfonique (MES) à température ambiante pour obtenir un ester de NHS.
Etape 3 :
Enfin, on a laissé réagir la vancomycine avec les pastilles de l’étape précédente dans du tampon MES. Les pastilles ont ensuite été lavées avec du tampon MES et nettoyées au bain à ultrasons.
La figure 1 représente la molécule de vancomycine avec l’amine réactionnelle, la vancosamine.

Claims (12)

1. Matrice céramique alumine poreuse greffée avec un antibiotique.
2. Matrice selon la revendication 1, dans laquelle la porosité de la matrice est comprise entre 40 et 80%, de préférence entre 60 et 70%, avantageusement environ 65%.
3. Matrice selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle la taille des pores est de de 100 à 900 pm, de préférence de 200 à 600, plus préférentiellement environ 400 pm.
4. Matrice selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle la matrice céramique présente une porosité en volume de 45 à 75%, une taille de pores de 100 à 900pm, la céramique étant obtenue par imprégnation d’une mousse, préfrittage à une température supérieure à 1200°C, surimprégnation par une barbotine, et frittage à une température supérieure à 1500°C, par exemple supérieure à 1600°C.
5. Matrice selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle l’antibiotique est choisi parmi :
- bêtalactamines, notamment amoxicilline, oxacilline, cloxacilline, ceftriaxone, cefotaxime, ceftazidime, piperacilline, imipenen, ertapenem, ceftaroline, aztreonam, cefepime, céfazoline ;
- clofazimine ;
- glycopeptides, notamment vancomycine, ses dérivés, teicoplanine ;
- lipoglycopeptides, notamment dalbavancine, oritavancine, telavancine, daptomycine.
6. Matrice selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle l’antibiotique est la vancomycine ou un dérivé, de préférence la vancomycine.
7. Matrice selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, pour diminuer et/ou empêcher la prolifération bactérienne et/ou la formation de biofilm bactérien.
8. Matrice selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, pour son utilisation en thérapie ou en prophylaxie, notamment dans le traitement des infections osseuses, des cancers des os, en particulier des métastases osseuses.
9. Matrice selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, pour son utilisation en thérapie comme blocs de comblements osseux, blocs de corporectomie, cages ou cales intersomatiques du rachis cervical ou lombaire, cales cervicales, cales pour calcanéum, cales d'ostéotomie telles que par les cales tibiales d’addition, cales de dérotation telles que tubérosité tibuale antérieure, de rattrapage, de valgisation, blocs de reconstruction et de comblement, broches, cales et pivots de fixation et d'arthrodèse, pastilles de trépan, blocs d'arthrodèse assurant le maintien de l'espace naturel ou interligne intersomatique, implants spéciaux de reconstruction : bloc de comblement de sinus, plancher et plafond d'orbite, bouchons de craniotomie, implants de comblement et plaques de réhabitation maxillofaciale, et toute pièce anatomique sur laquelle il est possible de réinsérer « nerfs >> ou tissus « facia lata >>.
10. Composition selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, qui est une prothèse ou un implant.
11. Procédé de préparation d’une matrice selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, comprenant les étapes suivantes :
- réaction d’un diacide sur la matrice céramique alumine ;
- formation d’un ester ;
- transamidification par réaction sur un groupe amine de l’antibiotique.
12. Procédé de préparation selon la revendication 11, dans lequel l’ester est un ester de N-hydroxysuccinimide, de préférence formé en présence de diméthylaminopropyl)carbodiimide.
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