Conclusion TPE : cœur artificiel vs cœur naturel

Le cœur artificiel total, comme celui développé par la société française Carmat, repose sur le principe que cet organe humain n’est rien d’autre qu’une pompe, capable de s’adapter aux besoins du corps. La prothèse créée par les ingénieurs de CARMAT comprend donc deux cavités ventriculaires droite et gauche comme le coeur naturel.

Forme, taille et poids

Le cœur CARMAT, à armature de plastique dur, reprend parfaitement la forme du cœur humain. Il est également de taille comparable mais pèse 860g et a un volume de 0,75L (300g environ et 0,7L pour le cœur humain). Ce cœur artificiel est plus gros, il pèse 900 grammes contre 300 pour un cœur humain. Cette prothèse implantable pèse 900 grammes (cœur humain : 250 à 300 g), comporte deux ventricules artificiels et des valves implantées.

Structure interne et principes de fonctionnement

Les cavités sont séparées en deux par une bio-membrane souple. Ces cavités sont séparées en deux par une bio-membrane souple. Ce qui ménage un passage pour le sang, un pour ce que Carmat appelle le liquide d’actionnement. Par impulsion hydraulique grâce à deux pompes miniatures, le liquide d’actionnement déplace cette bio-membrane. Et on retrouve le mouvement de la paroi ventriculaire du cœur humain. Ce mouvement provoque l’admission et l’éjection du sang.

Pour assurer la fonction cardiaque, deux motopompes aspirent et injectent, alternativement, de l'huile de silicone dans les cavités ventriculaires déplaçant les membranes de pulsion. Lorsque le compartiment hydraulique se vide, le retrait de la membrane aspire le sang dans le ventricule : c'est la diastole.

Matériaux et compatibilité biologique

Les matériaux qui sont en contact avec le sang du patient (valves, membranes, …) sont biologiques et hémocompatibles. Les parties en contact avec le sang (intérieur des ventricules) sont recouvertes de "biomembranes" hémocompatibles (péricarde animal traité chimiquement). Il est fait en matériaux bio-synthétique pour éviter les risques de rejets. La prothèse comporte aussi un système électronique embarqué comprenant un micro-processeur, une prise d'alimentation électrique et 7 capteurs.

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La valve d'origine bovine traitée chimiquement pour éviter tout rejet. Ces derniers vont permettre une adaptation physiologique à la vie quotidienne en mesurant la tension artérielle, en détectant la position du corps, la vitesse (lorsque le patient court, le cœur artificiel va accélérer pour augmenter le débit sanguin), le sommeil (ralentissement de la fréquence), etc.

Matériaux spécifiques utilisés

• Le titane : Il est utilisé comme constituant des motopompes. C’est un élément chimique du tableau périodique : Symbole Ti et numéro atomique Z=22. Dans les alliages légers, résistants. Ce matériau est intéressant car il n’est pas sensible à la corrosion.
• Le polytéréphtalate d'éthylène (Dacron) : Sa particularité est qu’il est souple et déformable. Il est utilisé pour sa résistance, dans le secteur médical notamment.
• Le polyuréthane : Il s’agit d’un polymère artificiel. Il est constitué de macromolécules hydrophobes résultant de l’assemblage de monomères, les uréthanes.

Un matériau hautement déformable est utilisé pour ce revêtement. La déformation est limitée à cause du caractère anguleux de certaines parties du ventricule.

Système électronique et alimentation

Le système électronique régule le fonctionnement de cette prothèse en fonction des besoins des patients à partir d’informations données par des capteurs. La prothèse est implantée dans la cage thoracique et raccordée aux oreillettes naturelles grâce à un dispositif d'interface, également biocompatible.

Enfin ce coeur artificiel doit être alimenté par des batteries externes portées à la ceinture par exemple. Des batteries de trois kilos avec une autonomie d'une douzaine d'heures. Le système externe d'alimentation, de contrôle et de suivi comporte un dispositif de surveillance porté à la taille par une ceinture, permettant d'informer le patient et de suivre en permanence, à distance, le fonctionnement de la prothèse. Il comporte également deux batteries rechargeables qui vont alimenter la prothèse en énergie via deux fils externes qui se rejoignent derrière l'oreille gauche, où une "prise" est implantée.

Avantages cliniques et limites

L'implantation aujourd'hui de ce coeur coûte grosso modo celui d'une greffe. Mais gros avantage : ce coeur Carmat évite les traitements immunosuppresseurs contre les risques de rejets : des traitements très onéreux de l'ordre de 20 mille euros par an. Il est fait en matériaux bio-synthétique pour éviter les risques de rejets. Cette prothèse évite les traitements immunosuppresseurs.

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La demande potentielle est énorme. Ça représente un besoin important en France et dans le monde. Aujourd'hui dans le monde plus de 100 mille insuffisants cardiaques sont dans l'attente d'une greffe. Un marché potentiel énorme. On fait 300 transplantations cardiaques en France alors qu'il faudrait au moins 3.000 coeurs chaque année affirme le professeur Alain Carpentier qui est le concepteur de cette technologie avec Carmat.

Résultats cliniques et sécurité

Le premier cœur artificiel a été implanté en décembre 2013, sur un patient français. Ce dernier avait survécu deux mois et demi. Le premier porteur d'un coeur Carmat est lui décédé le 2 mars 2014, 74 jours après cette opération. Un premier patient en insuffisance cardiaque terminale, Claude Dany, a été opéré par Pr Daniel Duveau le 18 décembre 2013 à l'hôpital européen Georges-Pompidou. Après 75 jours, il est brutalement décédé, suite un arrêt de son cœur artificiel.

Un deuxième patient en insuffisance cardiaque terminale a été opéré au CHU de Nantes le 5 août. Huit mois après son opération, l'homme de 69 ans qui a subi à Nantes la 2eme implantation du coeur Carmat a repris le vélo. C'est dire si officiellement tout va bien pour lui pour l'instant. Selon le Pr Carpentier, "avant l'intervention, ce patient qui a une soixantaine d'années était mourant, je pèse mes mots, à quelques semaines près (…) Après une douzaine de jours en réanimation, le malade a récupéré un état général très satisfaisant et a retrouvé son autonomie."

Les différents résultats montrent qu'un seul patient a survécu plus de deux ans après l'implantation du cœur artificiel. L'essai clinique a montré que 73% des patients ont survécu au moins six mois après l'opération. En comparaison, une transplantation cardiaque permet d’augmenter la durée de vie des patients de près de vingt ans.

Problèmes techniques rencontrés historiquement

À l’époque, quelques expérimentations avec des cœurs artificiels ont bien été menées sur des animaux, comme le « cœur Jarvik ». Ces appareils sont volumineux et bruyants ; leurs dispositifs très lourds (250 kilos !) et encombrants, cela est dû au compresseur relié au cœur artificiel. Ces cœurs nécessitaient des valves ayant tendance à s’encrasser et à générer des caillots ; ceci impliquait de réopérer tous les 8 à 10 ans des patients déjà âgés ou affaiblis par leur problèmes cardiaques.

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Le prototype CORA fonctionnait comme un « presse-purée » avec les globules rouges : ces cellules du sang se retrouvaient coincées entre la paroi du stator et le rotor, ce qui provoquait une hémolyse (destruction des globules rouges). Cela nécessitait de transfuser régulièrement les porteur·es. C’était un véritable problème.

Complexité du sang et nécessité d'approches interdisciplinaires

« Le sang est un liquide complexe dont le comportement mécanique n’obéit pas aux mêmes lois que l’eau ou l’air. L’étudier dans le cadre d’un projet de cœur artificiel nécessite des compétences propres aux chercheurs spécialisés en biomécanique des fluides. » Didier Bellet est spécialisé en biorhéologie, l’étude des comportements et des écoulements de fluides biologiques.

Le sang, parce qu’il est constitué de plasma dans lequel baignent des cellules (globules rouges, globules blancs et plaquettes), est lui aussi un fluide non-newtonien : il a des propriétés mécaniques spécifiques. Selon le contenant dans lequel il se trouve - une artériole de très petit diamètre ou une artère de gros calibre -, selon le degré d’élasticité de la paroi du vaisseau où il circule, selon la présence ou non d’obstacles à sa circulation (caillot, rétrécissement d’un vaisseau lié à l’accumulation de graisse...), le sang va avoir un comportement différent. C’est un fluide très complexe à étudier.

Au cœur du projet CORA, deux disciplines - science de l’ingénieur·e et science du vivant - ont collaboré pour comprendre le fonctionnement du cœur humain. L’exemple de CORA montre combien la conjonction de travaux et de connaissances interdisciplinaires peut bénéficier aux progrès scientifiques appliqués au domaine médical des prothèses chirurgicales.

Aspect éthique, économique et perspectives

Ces pompes doivent être biocompatibles, fiables car la panne est mortelle. Ils sont aussi financiers (il faut lever des sommes considérables pour mettre au point ces dispositifs à haute valeur technologique), mais aussi éthiques. Quelle priorisation donner aux patients pour accéder à la transplantation, quelles conséquences en termes de survie et surtout de qualité de vie ? Ne jouons-nous pas parfois aux apprentis sorciers avec les patients les plus graves ?

Le premier cœur artificiel fut implanté chez l’Homme en 1969 aux États-Unis. Plus d’un demi-siècle après, la mise en place de ces prothèses cardiaques reste exceptionnelle, souvent dans le cadre de protocoles expérimentaux très encadrés et surveillés. L’implantation de ces machines, censées suppléer en totalité la fonction cardiaque, reste donc l’apanage de quelques centres dans le monde.

Le cœur artificiel total n’est pas complètement abouti mais bien avancé. Fin décembre, l’entreprise française a obtenu la certification européenne nécessaire à la mise sur le marché de son coeur artificiel. L’entreprise Carmat passe un nouveau cap : son cœur artificiel, appelé "Aeson", sera commercialisé à partir du deuxième trimestre 2021 dans les pays de l’Union européenne. Le chef d’entreprise espère pouvoir rapidement produire dix cœurs artificiels par mois, sachant qu’il faut en moyenne un an pour pouvoir en concevoir un.

Comparaison synthétique : cœur artificiel vs cœur naturel

Points à retenir

• Le cœur artificiel vise à reproduire la pompe cardiaque et à offrir une alternative à la pénurie de greffons.
• Les matériaux hémocompatibles et les systèmes électroniques modernes permettent une adaptation physiologique, mais posent des défis d’alimentation et de miniaturisation.
• Les risques restent élevés : complications, mortalité encore non négligeable, et limites technologiques à surmonter.
• La recherche reste interdisciplinaire et cruciale : biomécanique, biorhéologie, ingénierie des matériaux et chirurgie travaillent de concert.

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