Generation Bionic Sportsmen - Des membres artificiels pour l'égalité

Pour l'esthétique et la fonctionnalité, le remplacement d'une partie manquante du corps par une prothèse (grec pour attachement ) a toujours été une nécessité. La technologie actuelle est allée au-delà du simple remplacement mécanique du membre, l'élevant au niveau biomécanique, grâce à l'introduction de capteurs myoélectriques pour activer la prothèse par l'activité musculaire. Ici, nous nous concentrerons sur les matériaux constitutifs de la prothèse, notamment ceux destinés au sport, plutôt que sur l'électronique.

Évolution de la prothèse

À l'époque, l'amputation était le seul traitement pour toute blessure grave d'un membre. Cependant, le remplacement du membre manquant était rare et réservé aux nobles. La première prothèse documentée a été découverte en Égypte. Là, une momie datée d'environ 950 av. d'une femme noble a été retrouvée avec une prothèse d'orteil en bois et en cuir et un ongle sculpté comme réplique de la partie manquante (Figure 1) [1].

Figure 1. Doigt esthétique daté de 959 av. découverte en Egypte [2].

Au Moyen Âge, la prothèse a commencé à devenir plus fonctionnelle (Figure 2). Les hommes qui perdaient leurs bras pendant les batailles avaient leur membre remplacé par un appareil en fer avec des éléments qui leur permettaient de placer un bouclier pendant les combats. Pendant ce temps, sur les navires, les marins se faisaient remplacer les avant-bras par le fameux crochet et les jambes par des baguettes en bois, deux matériaux facilement disponibles à bord.

Figure 2. Bras prothétique en fer du Moyen Âge [1].

La première prothèse fonctionnelle a été imaginée par le chirurgien français Ambroise Paré au XVIe siècle. La prothèse comportait un genou fléchi, verrouillable en position debout, et des mains permettant aux capitaines français à cheval de saisir et de relâcher leurs rênes [3]. Au 17e siècle, un chirurgien hollandais, Pieter Verduyn, incluait des articulations dans sa prothèse ainsi qu'une meilleure fixation à la jambe. Plus tard, la prothèse comprenait des ressorts pour simuler les muscles et les tendons. Dans les années 1990, les microprocesseurs ont été introduits pour contrôler le mouvement du genou de la prothèse , et des capteurs ont enregistré le stimulus électromyographique qui a déplacé la prothèse (Figure 3) [3].

Figure 3. Evolution de la prothèse trans-fémorale dans les années [3].

Trois composants principaux

La prothèse peut remplacer quatre parties du corps différentes nommés en conséquence de leurs localisations :trans-humérale, trans-radiale, trans-tibiale et trans-fémorale. Indépendamment de leur application et de leur placement, les prothèses doivent être légères pour faciliter leur utilisation (il ne serait pas utile d'avoir un membre artificiel pesant comme l'original, c'est-à-dire 10 % et 30-40 % du poids du corps pour les deux bras et les deux jambes, respectivement).

La prothèse est composée de trois composants principaux (suspension, pylône et emboîture) qui restent généralement les mêmes selon les types de prothèse (esthétique ou fonctionnelle) et l'emplacement [4].

La prise est la partie de la prothèse qui s'attache au membre résiduel. Pour garantir le confort de l'utilisateur et l'efficacité totale de la prothèse, il est essentiel que l'emboîture n'irrite pas la peau du moignon et puisse transmettre le choc ou l'effort. La douille est généralement en polypropylène, remplaçant la laine utilisée auparavant.

La suspension est la jonction entre le pylône et la douille. Il est vital pour maintenir le pylône attaché au membre résiduel, et généralement, une méthode d'aspiration est utilisée pour créer un vide et maintenir les deux parties attachées.

Le pylône est le cœur de la prothèse. En règle générale, il est créé à partir de fibres de titane ou de carbone (plus résistantes, légères et plus résistantes que l'acier), remplaçant le bois qui était utilisé dans le temps. Le pylône est souvent recouvert d'un matériau souple qui correspond à la couleur de la peau naturelle.

La prothèse dans le sport

Après la Seconde Guerre mondiale, la participation des amputés aux activités sportives est devenue pour eux une opportunité de retour à la normale, augmentant leur sentiment de bien-être et d'inclusion sociale. Par conséquent, après le remplacement du membre manquant, une nouvelle étape a été franchie dans le sens de l'optimisation de la prothèse pour l'utilisation dans le sport.

Ce développement est principalement célèbre pour la course à pied. Dans les années 1980, l'une des premières prothèses créées pour une activité physique plus intense était le Seattle Foot (Figure 4). Une quille interne flexible en Delrin (un plastique cristallin avec des caractéristiques entre les métaux et les plastiques) entourée d'une coque en polyuréthane agissait comme un ressort, renvoyant une partie de l'énergie [5].

Figure 4. Coupe du pied de Seattle [6].

En utilisant Flex-Foot (Figure 5) et Re-Flex VSP, les amputés des membres inférieurs ont réussi à atteindre une course plus économe en énergie. L'introduction de fibres de carbone a permis, en effet, de courir davantage sur les orteils, une caractéristique des coureurs normaux [7]. En particulier, le Flex-Foot a montré le taux de retour d'énergie le plus élevé par rapport aux autres prothèses en polyuréthane ou polyacétal [5].

Figure 5. Prothèse Flex-Foot [8].

Dernièrement, le nom du Sud-Africain Oscar Pistorius a défrayé la chronique en étant le premier athlète doublement amputé à concourir aux Jeux Olympiques et en lançant le débat sur le dopage technologique (Figure 6). Le coureur de sprint a utilisé les guépards , inventé par l'ingénieur médical Van Phillips. Leur forme est conçue pour aller de l'avant, et donc, un talon n'est pas inclus.

Selon Josh McHugh [9], « Les guépards semblent rebondir d'eux-mêmes. Il est impossible de rester immobile dessus et difficile de se déplacer lentement. Une fois lancés, les guépards sont extrêmement difficiles à contrôler. La raison réside dans le fait que les Cheetahs sont fabriqués en polymère renforcé de fibre de carbone (comme le polyester, l'époxy ou le nylon qui lie la fibre de carbone). Selon la direction et la densité des fibres, différents niveaux de rigidité peuvent être donnés.

La fibre de carbone fonctionne comme un ressort, stockant et libérant l'énergie cinétique de l'athlète à chaque pas. En particulier, le rapport du travail mécanique à l'articulation de la cheville entre la phase négative et la phase positive est de 0,907 pour les guépards contre 0,401 pour les athlètes sains [7].

Le travail mécanique dans le genou était 11 et huit fois plus élevé dans la phase négative et positive, respectivement, chez les guépards que chez les athlètes capables [7]. En raison des propriétés élastiques améliorées du membre artificiel, les sauteurs en longueur paralympiens utilisent la jambe prothétique pour décoller pendant le saut.

Figure 6. Oscar Pistorius au départ portant la prothèse Cheetah [10].

Pendant la course, les athlètes amputés trans-fémoraux ont plus de désavantages que les trans-tibiales. La raison principale réside dans le fait que l'articulation du genou est difficile à reproduire mécaniquement en raison de sa grande complexité. La course du sportif trans-fémoral est caractérisée par une asymétrie pouvant atteindre 36 % dans la phase pendulaire entre le côté valide et incapable [11]. Ainsi, différentes solutions ont été proposées pour remédier au problème d'inertie influençant l'accélération de la prothèse lors de la phase de récupération.

Pas seulement courir

L'évolution des prothèses pour le sport ne se limite pas au monde de la course à pied. Normalement, les prothèses des membres inférieurs sont utilisées dans les sports qui nécessitent une position verticale comme le ski, tandis que les prothèses des membres supérieurs sont utilisées pour des sports tels que l'aviron ou le cyclisme. Dans ce dernier, la propulsion et la stabilité données par les bras sont essentielles. Pour de nombreux sports, une adaptation des prothèses n'est pas nécessaire pour y pratiquer, mais dans la majorité des cas, elle l'est [11].

En cyclisme , la prothèse du membre supérieur doit pouvoir se casser et changer les engrenages. Un mécanisme standard d'ouverture/fermeture devrait suffire. Cependant, pour le cyclisme de compétition, la prothèse doit également garantir la capacité de l'athlète à changer sa position sur la poignée [11]. Pour le VTT, un amortisseur peut réduire les vibrations de la conduite qui sont transmises à la poignée (Figure 7).

Pour le membre inférieur, les pieds stockant l'énergie qui sont utiles pour marcher et courir constituent un inconvénient en cyclisme, ne permettant pas une bonne propulsion du fait de leur élasticité [11]. Généralement, une prothèse normale du bas du corps est suffisante pour garantir la poussée. Néanmoins, certaines adaptations doivent être envisagées, comme une pédale plus large et des coudes pour fixer la prothèse à la pédale.

Figure 7. Piston d'adaptation d'une prothèse du haut du corps pour le VTT [12].

Les amputés unilatéraux des membres supérieurs et inférieurs peuvent généralement nager sans problème, tant qu'ils portent des prothèses étanches. Cependant, afin d'améliorer leur efficacité, une nageoire est fréquemment fixée directement à l'emboîture du membre sonore (Figure 8) et à la même longueur du membre sonore [11].

Figure 8. Adaptation des palmes pour la natation [12].

De plus, le Bartlett Tendon Universal Knee et le XT9 sont des prothèses utilisées dans les sports extrêmes, du ski au snowboard et la moto . Les deux prothèses ont été inventées par des sportifs qui ont perdu leurs membres dans des accidents.

Le futur

Nike, Adidas et d'autres sociétés développent leurs prothèses pour le sport. Adidas a créé la gamme de prothèses Symbiosis en utilisant des matériaux tels que la fibre de carbone, le sorbothane (un polyuréthane) et l'aluminium [13]. Nike a plutôt opté pour la création de prothèses qui pourraient s'interfacer avec la lame en fibre de carbone d'Ossur, offrant des avantages tels que la stabilité, le retour d'énergie et la récupération (Figure 9).

Figure 9. Prothèse Nike [13].

Afin de réduire le prix des prothèses de sport et d'utilisation normale, l'impression 3D a été utilisée dans leur production. Tout comme les prothèses normales, les prothèses imprimées en 3D sont faites de plastiques comme le polypropylène, le polyéthylène, les acryliques et le polyuréthane, avec un pylône interne en titane, aluminium ou fibre de carbone.

L'avenir des prothèses sportives et de leur utilisation normale semble résider dans l'ostéointégration, c'est-à-dire la fixation de la prothèse directement dans l'os de l'amputé à l'aide de titane. Cependant, l'ostéointégration présente des avantages et des inconvénients. L'absence d'emboîture permettra de réduire l'inconfort et la pression sur la peau. D'un autre côté, le risque d'infection est élevé et le patient doit prendre soin quotidiennement de la zone cutanée du pilier, avec la possibilité de ne pas pouvoir faire d'activités comme sauter ou courir.