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Les Biomatériaux : quels matériaux pour quelles applications ?

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Admin Hania


Les Biomatériaux : quels matériaux pour quelles applications ?


INTRODUCTION
/./././././././././././

Par définition, un biomatériau est un matériau non viable, d’origine naturelle ou artificielle, utilisé dans l’élaboration de dispositifs médicaux destinés à être mis en contact avec des tissus biologiques.
On entend par tissu biologique non seulement les tissus de soutien tels que la peau, l’os la dent…, mais aussi le sang, qui contient divers types de cellules (globules rouges, globules blancs) ainsi que diverses substances permettant la formation d’un caillot en cas de blessure (plaquettes, fibrine…).
On dit d’un biomatériau qu’il est biocompatible lorsqu’il est capable de remplir sa fonction sans effets adverses sur l’environnement biologique dans lequel il est appelé à fonctionner.

> Exemple n°1 :
Les matériaux constitutifs de la partie articulaire d’une prothèse totale de la hanche doivent permettre le mouvement de l’articulation sans frottement excessif, tout en produisant une quantité minimale de débris d’usure pendant la durée de vie de la prothèse (supérieur à 15 années) ; les débris d’usure produits ne doivent pas provoquer de réaction inflammatoire locale ou générale, ni déclencher de réaction immunitaire spécifique (allergie) ; la partie métallique de la prothèse en contact avec l’os ne doit pas relâcher de produits de corrosion toxiques pour les cellules osseuses, et favoriser la recolonisation par le tissu osseux en contact intime avec la prothèse.

> Exemple n°2 :
Une sonde urinaire ne doit pas faciliter la pénétration ou le développement de bactéries dans le tractus urinaire et dans la vessie.

> Exemple n°3 :
Un vaisseau sanguin artificiel ne doit pas favoriser la condensation de plaquettes et la formation d’un caillot sur la surface qu’il expose au flux sanguin.

Les exemples ci-dessus montrent que la biocompatibilité d’un matériau dépend en grande partie de la façon dont il interagit avec les tissus avec lesquels il se trouve en contact, et ce pendant toute la durée de son séjour dans l’organisme. Le lieu de l’interaction entre un biomatériau et son environnement de travail étant l’interface matériau/tissu, la composition superficielle et l’état de surface d’un biomatériau sont donc des déterminants essentiels de sa biocompatibilité, même si ses propriétés massiques jouent également un rôle très important.





> Figure 1 : Applications médicales des biomatériaux.

De nombreuses recherches sur les biomatériaux ont donc pour objectif de modifier les caractéristiques de surface de divers biomatériaux, choisis d’abord pour leurs propriétés intrinsèques (mécaniques en particulier), afin d’en améliorer la biocompatibilité. Quelques exemples : l’implantation de certains ions à la surface de polyuréthane permet d’améliorer ses propriétés anticoagulantes au contact du sang ; le dépôt d’un film de phosphate de calcium (hydroxyapatite) à la surface d’un implant en alliage de titane permet d’améliorer son affinité pour les ostéoblastes ; la modification de la microstructure de surface du titane modifie son interaction avec certaines protéines du plasma sanguin et son aptitude à favoriser l’adhésion cellulaire.

LES MATERIAUX À VOCATION DE BIOMATERIAUX
/././././././././././././././././././././././././././././././././././

On peut dire que quatre grandes catégories de biomatériaux peuvent être envisagées :

•les métaux et alliages métalliques,
•les céramiques au sens large,
•les polymères et la matière "molle",
•les matériaux d'origine naturelle.





> Figure 2 : Familles des biomatériaux synthétiques.


1) Les métaux et alliages métalliques

Ce sont en quelque sorte les "ancêtres" des biomatériaux puisque ce sont les premiers à avoir été utilisés pour faire des implants.
Le plus important par les volumes est sans doute l'acier inoxydable, encore largement utilisé en chirurgie orthopédique. L'intérêt de l'acier inoxydable dans ce domaine réside dans ses propriétés mécaniques.
Il faut également mentionner particulièrement le titane, qui est utilisé principalement en chirurgie orthopédique et pour réaliser des implants dentaires. On le trouve également dans les stimulateurs cardiaques et les pompes implantables. L'un des avantages principaux du titane est sa bonne biocompatibilité : l'os adhère spontanément au titane. Les alliages à mémoire de forme sont une variante intéressante de cette catégorie. On utilise également des alliages cobalt, chrome, molybdène, du tantale, etc.

Les principaux problèmes mal résolus avec les métaux et alliages métalliques sont les suivants :

•corrosion électrochimique et durabilité,
•mécanismes de dégradation non électrochimiques incluant les interactions
protéine/métal,
•réactions immunitaires et d'hypersensibilité,
•adaptation des propriétés mécaniques,
•propriétés de frottements et problèmes de débris.

2) Les céramiques

Les céramiques se caractérisent par une température de fusion élevée et un comportement fragile, qui déterminent leurs domaines d'application.
Elles incluent des oxydes, des sulfures, des borures, des nitrures, des carbures, des composés intermétalliques, ...
Dans le domaine des biomatériaux, on rencontre principalement l'alumine et la zircone utilisées dans les têtes de prothèses de hanche, ainsi qu'en odontologie pour les implants dentaires.
Il faut signaler tout particulièrement les utilisations et les développements de deux céramiques à base de phosphate de calcium : l'hydroxyapatite (HAP) et le phosphate tricalcique (TCP).

En effet, ces matériaux présentent l'avantage d'être ostéoconducteurs, c'est-à-dire de favoriser la repousse osseuse au contact et la colonisation par l'os ; 65 % de la matière constituant le tissu osseux est d'ailleurs une forme de phosphate tricalcique encore assez mal connue dont la formule chimique s'apparente à l'hydroxyapatite, mais dont l'agencement spatial en diffère notablement puisque des cristaux d'hydroxyapatite y sont accolés à des fibres de collagène. En outre, l'HAP poreuse et les céramiques à base de TCP sont biorésorbables. Le principal problème avec l'HAP est d'arriver à synthétiser une HAP ayant juste la bonne taille de pores pour que la colonisation se fasse bien.
On trouve donc des utilisations de l'HAP dans les implants et matériaux de comblement dentaires et dans la chirurgie orthopédique. Des vaisseaux artificiels à base d'HAP frittées ont même été élaborés.
On peut ajouter à cette catégorie de matériaux, bien qu'ils s'en distinguent par maints aspects, les verres au phosphate, ou bioverres de Hench, qui assurent un accrochage de type quasi chimique avec le tissu osseux.

Les principaux problèmes mal résolus avec les céramiques sont :

•les mécanismes de dégradation,
•la durabilité,
•la résistance à la fracture
•l'activité de surface,
•l'adhésion des protéines ou des cellules en surface.

Avec les céramiques biorésorbables, les problèmes sont :

•la mesure et le contrôle de la biorésorption et l'effet sur le tissu local,
•la calcification,
•la connaissance des effets des enzymes sur la dégradation,
•les effets de la stérilisation sur la biorésorbabilité,
•les effets sur la cicatrisation et la formation de l'os.

3) Les polymères et autre matière molle

Les utilisations des polymères dans le domaine des biomatériaux sont extrêmement nombreuses. Le tableau 1 en fournit un résumé probablement pas exhaustif. Les deux grandes tendances de l'usage des polymères concernent :

1. La recherche de polymères fonctionnels,
c'est-à-dire susceptibles d'avoir une fonction chimique particulière à l'interface matériau-tissu vivant, à savoir par exemple la capacité d'interaction avec les ostéoblastes (et/ou les fibroblastes) qui favorise la repousse osseuse ou ligamentaire. Ceci est envisagé par la fixation sur le polymère de groupements ionisés tels que orthophosphate, carbonate, carboxylate, etc. La "fonctionnalité" peut notamment être obtenue par la modification de l'état de surface du polymère par implantation ionique ou par greffage de substances fonctionnelles.

2. La recherche de polymères résorbables
tels que les copolymères d'acide lactique et d'acide glycolique qui sont utilisables en chirurgie orthopédique traumatologique, ou les polyanhydrides et/ou polyaminoacides qui sont utilisés dans les formes retard de médicaments.
Les principaux problèmes mal résolus avec les polymères actuellement mis en œuvre ne concernent pas que la biocompatibilité à l'interface matériau- tissu. Pour les polymères non résorbables on peut citer :

•instabilité au rayonnement gamma,
•réactivité à certains types de médicaments,
•variabilité de chaque "lot",
•stabilité hydrolytique,
•calcification,
•risques liés aux additifs, aux composants de bas poids moléculaire, aux produits de dégradation in vivo, aux produits résiduels de stérilisation,
•manque de base de données pour évaluer les propriétés de surface,les réactions de biocompatibilité, la mutagénicité/carcinogéni-cité, etc,.
•manque de standards.

Pour les polymères biorésorbables on a de même :

•manque de mesures de dégradation et de biorésorption,
•effets biologiques des produits de dégradation,
•effets des enzymes sur la dégradabilité,
•érosion de surface ou érosion de la masse,
•effets de la stérilisation sur la biodégradabilité,
•effets de la stérilisation sur les agents pharmacologiques incorporés au polymère,
•effets sur la cicatrisation,
•remplacement des tissus naturels.

Pour les polymères biostables, également :

•stabilisation biologique,
•vieillissements physique et chimique,
•effet de la stérilisation.

Ou encore pour les systèmes macromoléculaires actifs :

•interactions avec les éléments vivants (macromolécules, cellules, organes, etc...),
•devenir en cas d'utilisation limitée dans le temps,
•effets biologiques positifs ou négatifs.

Et enfin, pour les matériaux de libération contrôlée de principes actifs :

•matrices polymères ou minérales ou mixtes,
•devenir des parties matériaux,
•altérations réciproques des propriétés des parties artificielles et des parties
vivantes,
•mise en évidence des propriétés biologiques spécifiques.

Les polymères, par la nature de leur construction moléculaire à base d'éléments de répétition, sont des candidats du futur pour l'élaboration de prothèses permanentes ou temporaires sophistiquées, ou encore pour remplacer des matériaux actuellement d'origine naturelle, comme de programmation nécessite alors une recherche en consortium pluridisciplinaire partant des impératifs imposés par l'objectif spécifique et les gardant à l'esprit en permanence, la fertilisation croisée interdisciplinaire devant être la règle.

4) Les matériaux d'origine naturelle

Le souci de biocompatibilité des implants a orienté les chercheurs vers des matériaux logiquement biocompatibles puisque d'origine naturelle.
Outre les tissus biologiques retraités (valves porcines, carotide de boeuf, veine ombilicale, ...), le sulfate de chondroitine et l'acide hyaluronique, on trouve parmi ceux-ci :

•les greffes en général (autogreffes, allogreffes, hétérogreffes) ;
•la chitine, polysaccharide extrait des coquilles de crabe, qui est susceptible d'application pour les fils de suture, la chirurgie reconstructive et la peau artificielle ;
•les fucanes, polysaccharides extraits des algues marines (anticoagulants - anticomplémentaires, etc...) ;
•les dextranes et autres polysaccharides fonctionnalisés (le dextrane est préparé par transformation de saccharose par des bactéries) ;
•la cellulose, traditionnellement utilisée pour les membranes de dialyse, mais dont d'autres applications sont à l'étude, notamment comme ciment de prothèse de hanche ;
•le corail, qui pourrait être utilisé en chirurgie orthopédique et/ou maxillo-faciale, grâce à la possibilité de recolonisation de ce matériau par les cellules osseuses ;
•le collagène, d'origine animale (extrait de la peau) ou humaine (extrait du placenta humain) et dont les applications existantes ou envisageables sont très nombreuses :

- cosmétologie et chirurgie esthétique,
- pansements et éponges hémostatiques,
- implants oculaires et pansements ophtalmologiques,
- reconstitution de tissus mous et durs à l'aide de mélanges collagène-facteurs de croissance-hydroxyapatite,
- peau artificielle (derme).

L'avantage du collagène réside dans le fait que :

- c'est un produit hémostatique,
- il a certaines propriétés mécaniques qui permettent de le manipuler,
- il est indispensable au développement cellulaire,
- il est biodégradable.


ANNEXE : Biomaterials Companies
/././././././././././././././././././././././././././

• BioForma Research & Consulting, Inc., fibrinolytic systems, protein-material interactions
• Baxter International develops technologies related to the blood and circulatory system.
• Biocompatibles Ltd. develops commercial applications for technology in the field of biocompatibility.
• Carmeda makes a biologically active surface that interacts with and supports the bodys own control mechanisms
• Collagen Aesthetics Inc. bovine and human placental sourced collagens, recombinant collagens, and PEG-polymers
• Endura-Tec Systems Corp. bio-mechanical endurance testing ofstents, grafts, and cardiovascular materials
• Howmedica develops and manufactures products in orthopaedics.
• MATECH Biomedical Technologies, development of biomaterials by chemical polymerization methods.
• Medtronic, Inc. is a medical technology company specializing in implantable and invasive therapies.
• Molecular Geodesics Inc., biomimetic materials for biomedical, industrial, and military applications
• Polymer Technology Group is involved in the synthesis, characterization, and manufacture of new polymer products.
• SurModics, offers PhotoLink(R) surface modification technology that can be used to immobilize biomolecules
• W.L. Gore Medical Products Division, PTFE microstructures configured to exclude or accept tissue ingrowth.
• Zimmer, design, manufacture and distribution of orthopaedic implants and related equipment and supplies

2 Implants en biomatériaux métallurgiques le Mer 5 Sep 2012 - 15:53

Admin Hania








rai boualem


salam Hania ça va ??
merci pour ces informations; elles sont tès bénéfiques

Admin Hania


Salam Boualem ;

Ton message m'a fait un grand plaisir ;
Bienvenue dans notre forum de la Métallurgie et la SDM, je suis sure que les articles te plaisent Smile

En fait, je me suis inscrite à l'IAP pour enseigner "Matière théorique : Métallurgie" et "Corrosion et Protection" avec un petit coup de pouce. J'espère inchallah qu'ils vont me prendre car j'ai déposé un dossier de recrutement à l'Université de Boumerdes aussi et puis c'est proche (chez moi, l'U de Boumerdes et l'IAP).

Je souhaite que tu avance bien dans ta formation ici et là-bas ... c'est difficile de faire deux chose à la fois surtout à l'Ecole ...

Porte-toi bien et j'attend ta participation précieuse sur ce forum Very Happy

Bon courage.






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