Sportifs bioniques : prothèses de pointe pour l'égalité athlétique

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

Évolution de la prothèse

Autrefois, l'amputation était le seul traitement pour toute blessure grave à 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. J.-C. d'une noble femme a été trouvée avec un orteil prothétique en bois et cuir et un ongle sculpté comme réplique de la partie manquante (Figure 1) [1].

Au Moyen Âge, les prothèses ont commencé à devenir plus fonctionnelles (Figure 2). Les hommes qui avaient perdu leurs bras pendant les batailles avaient leur membre remplacé par un dispositif en fer avec des éléments leur permettant de placer un bouclier pendant les combats. Pendant ce temps, sur les navires, les marins avaient leurs avant-bras remplacés par le célèbre crochet et leurs jambes par des bâtons en bois, deux matériaux facilement disponibles à bord.

La première prothèse fonctionnelle a été conçue par le chirurgien français Ambroise Paré au 16e siècle. La prothèse incluait un genou pliable, capable d'être verrouillé en position debout, et des mains permettant aux capitaines français à cheval de saisir et relâcher leurs rênes [3]. Au 17e siècle, un chirurgien hollandais, Pieter Verduyn, a inclus des articulations dans sa prothèse ainsi qu'une meilleure fixation à la jambe. Plus tard, la prothèse incluait des ressorts pour simuler les muscles et tendons. Dans les années 1990, des microprocesseurs ont été introduits pour contrôler le mouvement du genou de la prothèse, et des capteurs enregistraient le stimulus électromyographique qui déplaçait la prothèse (Figure 3) [3].

Trois composants principaux

La prothèse peut remplacer quatre parties différentes du corps nommées en conséquence de leurs emplacements : trans-huméral, trans-radial, trans-tibial et trans-fémoral. Indépendamment de leur application et placement, les prothèses doivent être légères pour faciliter leur utilisation (ce ne serait pas utile d'avoir un membre artificiel pesant comme l'original, soit 10 % et 30-40 % du poids corporel 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 parmi les types de prothèses (esthétique ou fonctionnelle) et l'emplacement [4].

L'emboîture (socket) 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 membre résiduel et puisse transférer l'impact ou la force. L'emboîture est généralement faite de polypropylène, remplaçant la laine utilisée auparavant.

La suspension est la jonction entre le pylône et l'emboîture. Elle est vitale pour maintenir le pylône attaché au membre résiduel, et généralement, une méthode par aspiration est utilisée pour créer un vide et maintenir les deux parties attachées.

Le pylône est le cœur de la prothèse. Typiquement, il est créé à partir de titane ou de fibres de carbone (plus résilientes, légères et résistantes que l'acier), remplaçant le bois utilisé autrefois. Le pylône est souvent recouvert d'un matériau doux qui correspond à la couleur de la peau naturelle.

Prothèse dans le sport

Après la Seconde Guerre mondiale, l'implication des amputés dans les activités sportives est devenue une opportunité pour eux de revenir à la normalité, augmentant leur bien-être et leur sentiment d'inclusion sociale. Par conséquent, après le remplacement du membre manquant, une étape supplémentaire est allée dans la direction de l'optimisation de la prothèse pour l'utilisation dans le sport.

Ce développement est principalement célèbre pour la course. 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 métaux et plastiques) entourée d'une coque en polyuréthane agissait comme un ressort, restituant une partie de l'énergie [5].

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

Récemment, le nom du Sud-Africain Oscar Pistorius a fait les gros titres en étant le premier athlète double-amputé à concourir aux Jeux Olympiques et en lançant le débat sur le dopage technologique (Figure 6). Le sprinteur utilisait les Cheetahs, inventés par l'ingénieur médical Van Phillips. Leur forme est conçue pour aller vers l'avant, et ainsi, un talon n'est pas inclus.

Selon Josh McHugh [9], « Les Cheetahs semblent rebondir de leur propre chef. Il est impossible de rester immobile dessus, et difficile de bouger lentement. Une fois qu'ils démarrent, les Cheetahs sont extrêmement difficiles à contrôler. » La raison réside dans le fait que les Cheetahs sont faits en polymère renforcé de fibres de carbone (comme polyester, époxy ou nylon liant 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 ratio du travail mécanique à la cheville entre la phase négative et positive est de 0,907 pour les Cheetahs comparé à 0,401 pour les athlètes valides [7].

Le travail mécanique au genou était 11 et 8 fois plus élevé dans les phases négative et positive, respectivement, dans les Cheetahs que chez les athlètes valides [7]. Grâce aux propriétés élastiques améliorées du membre artificiel, les sauteurs en longueur paralympiques utilisent la jambe prothétique pour décoller pendant le saut.

En courant, les athlètes amputés trans-fémoraux ont plus de désavantages que les trans-tibiaux. La raison principale réside dans le fait que l'articulation du genou est difficile à reproduire mécaniquement en raison de sa haute complexité. La course de l'athlète trans-fémoral est caractérisée par une asymétrie allant jusqu'à 36 % dans la phase de balancement entre le côté valide et le côté invalide [11]. Par conséquent, différentes solutions ont été proposées pour remédier au problème d'inertie influençant l'accélération de la prothèse pendant la phase de récupération.

Pas seulement la course

L'évolution de la prothèse pour le sport n'est pas restreinte au monde de la course. Normalement, les prothèses des membres inférieurs sont utilisées dans les sports qui nécessitent une position debout 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 de la prothétique n'est pas nécessaire pour le pratiquer, mais dans la majorité des cas, elle l'est [11].

En cyclisme, la prothèse du membre supérieur doit permettre de freiner et changer les vitesses. Un mécanisme standard d'ouverture/fermeture devrait être suffisant. Cependant, pour le cyclisme compétitif, la prothèse devrait garantir la capacité de l'athlète à changer sa position sur le guidon aussi [11]. Pour le VTT, un amortisseur peut réduire les vibrations du trajet transmises au guidon (Figure 7).

Pour le membre inférieur, les pieds stockant l'énergie qui sont utiles pour la marche et la course constituent un désavantage en cyclisme, ne permettant pas une propulsion adéquate en raison de leur élasticité [11]. Généralement, une prothèse normale du bas du corps est suffisante pour garantir la poussée. Pourtant, certaines adaptations doivent être considérées, comme une pédale plus large et des courbures pour fixer la prothèse à la pédale.

Les amputés unilatéraux des membres supérieurs et inférieurs peuvent généralement nager sans problèmes, tant qu'ils ont des prothèses étanches. Cependant, pour améliorer leur efficacité, une palme est fréquemment attachée directement à l'emboîture du membre sain (Figure 8) et à la même longueur que le membre sain [11].

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

L'avenir

Nike, Adidas et d'autres entreprises similaires développent leurs prothèses pour le sport. Adidas a créé la ligne prothétique Symbiosis utilisant des matériaux comme la fibre de carbone, le sorbothane (un polyuréthane) et l'aluminium [13]. Nike s'est plutôt orientée vers la création de prothèses pouvant s'interfacer avec la lame en fibre de carbone d'Ossur, offrant des avantages comme la stabilité, le retour d'énergie et la récupération (Figure 9).

Pour réduire le prix des prothèses de sport et d'usage normal, l'impression 3D a été employée 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 d'usage normal semble résider dans l'ostéo-intégration, c'est-à-dire la fixation de la prothèse directement dans l'os de l'amputé en utilisant du titane. Cependant, l'ostéo-intégration présente des avantages et inconvénients. L'absence d'emboîture permettra de réduire l'inconfort et la pression sur la peau. De l'autre côté, le risque d'infection est élevé et le patient doit prendre soin de la zone cutanée de l'implant quotidiennement, avec la possibilité de ne pas pouvoir faire des activités comme sauter ou courir.