http://chercheurs.lps.u-psud.fr/Bazin/

Biomatériaux : définitions et notions de base

Définition : « Matériaux non vivants utilisés dans un dispositif

médical destiné à interagir avec les systèmes biologiques ».1

DIFFERENTS TYPES DE MATERIAUX

Les polymères (sondes JJ …)

Les alliages métalliques ( leur surface TiO2)

Les phosphates (matériaux de comblement osseux …)

DIFFERENTES TECHNIQUES DE CARACTERISATION

La microscopie électronique à balayage ( MEB)

La spectroscopie Infra rouge & Raman

La diffraction des rayons X & neutronique

La fluorescence X

La spectroscopie Infra rouge & Raman

Les techniques spécifiques au Rayonnement Synchrotron

DIFFERENTS DOMAINES MEDICAUX

Ophtalmologie

Odontologie

Chirurgie orthopédique

Chirurgie cardiaque

Urologie

1. Rapport rédigé sous la co-responsabilité de Laurent Sedel, Président

de l'Intercommission n° 1 de l'INSERM - Faculté de Médecine

Lariboisière – Paris et Christian Janot, Professeur à l'Université Joseph

Fourier - ILL - Grenoble

Notions de base :

- Biocompatibilité « propriété d’un matériau à agir avec une réponse

appropriée de l’hôte dans une application spécifique ». Capacité d’un matériau à

ne pas induire de réaction de rejet. Absence de réponse immunitaire ou

inflammatoire (absence de toxicité),

- Biointégration « aptitude d’un matériau à être colonisé par les cellules

vivantes ». Cette aptitude est recherchée dans le cas des prothèses (prothèse de

hanche et de genou) et à exclure dans le cas des sondes (sondes urinaires).

- Relargage « tout biomatériau libère des ions par dissolution dans le corps

humain. Ce relargage lié à un processus de dissolution augmente avec la

corrosion. Si ces ions sont métalliques, ils peuvent former des complexes

métalloorganiques capable d’induire des dysfonctionnements cellulaires. Le

biomatériau est profondément altérer. Dans le cas d’une prothèse, ce processus

peut aboutir à son descellement. Certains ions sont connus pour être toxique

pour certains organes (le Cadmium et le Plomb sont de puissants néphrotiques)

Les propriétés requises pour une implantation sont donc de plusieurs types2 :

- Physiques : propriétés mécaniques proche de celles de l’os pour permettre le

transfert des contraintes entre l’os et la prothèse (élasticité traduite par le module

d’Young adéquate, résistance à l’usure). En effet, la densité de l’os est de l’ordre

de 0.8-1.0 g/cm3 et son module d’Young de l’ordre de 20 GPa. Si le module

d’Young est trop différent il y aura un mauvais transfert de contraintes entre l’os

et la prothèse d’où une résorption de l’os.

- Chimiques : résistance à la corrosion, inertie chimique par rapport au milieu

(notamment le milieu salivaire pour les implants dentaires), biocompatibilité.

Ces propriétés doivent être contrôlées pour conserver l’intégrité du matériau. En

effet, le corps humain est un milieu agressif et corrosif du fait des concentrations

en ions chlorure (113 mEq/l dans le plasma sanguin et 117 mEq/l dans le liquide

interstitiel, ce qui est suffisant pour corroder les matériaux métalliques) et en

oxygène dissous. Pour les implants dentaires les conditions sont encore plus

sévères puisque le milieu salivaire contient plus de produits soufrés qui le

rendent plus corrosif.

- Biologiques : l’implantation est favorisée par l’amélioration de la

reconstitution des tissus (biocompatibilité, ostéointégration). Il faut éviter les

inflammations et les phénomènes d’encapsulation qui ont lieu lorsque la

prothèse est reconnue par l’organisme comme un corps étranger.

2. http://www.cnrs.fr/inc/communication/images/images-

chimietous/minidossiers/les_materiaux_biocompatibles.pdf

Epidémiologie

Le tableau 1 montre quelques-unes des applications ainsi que le nombre de

personnes concernées en France par an.

Applications Population concernée

Lentilles de contact 1 200 000

Implants oculaires 140 000

Prothèses de hanche 120 000

Stimulateurs cardiaques 40 000

Prothèses de genou 30 000

Hémodialyses 15 000

Prothèse vasculaires 15 000

Valves cardiaques 9 000

Quelques applications pour les biomatériaux

Définitions matériaux

Céramique3 : Par définition, les céramiques sont des matériaux non

métalliques, non organiques, obtenus par l’action de fortes températures

Polymère : Molécule de masse moléculaire élevée constituée de monomères

unis les uns aux autres par des liaisons covalentes4.

Elastomère : un élastomère est un polymère qui peut être configuré dans une

forme originale par extrusion et dont la température de transition vitreuse

(température à partir et en dessous de laquelle la viscosité devient infinie) se

situe en dessous de la température d’utilisation, c’est-à-dire la température

ambiante ou 37°C pour les matériaux implantables.

Les polyéthylènes5, qui sont des polymères dérivés de l’éthylène appartenant à

la famille des polyoléfines, se dégradent au contact de l’urine et deviennent

cassants. Pour cette raison, ils ne sont plus utilisés.

Les polychlorures de vinyle6 : Ce sont des polymères obtenus à partir de

l’acétylène, plastifiés en vue de cette application. Ils peuvent contenir jusqu’à

35% de plastifiant. Ils sont plus ou moins rigides et sensibles aux incrustations et

de ce fait, ont été abandonnés également.

Les polyuréthanes7 : Ce sont des polymères obtenus par des réactions

d’addition entre le groupe isocyanate (-N=C=O) et le groupe hydroxyle (-OH).

Cette famille générique inclut des élastomères dont les propriétés peuvent varier

en fonction des additifs et plastifiants utilisés.

Les silicones8 : Ce sont des composés chimiques intermédiaires entre la chimie

organique et la chimie minérale. En effet, ces polymères associent en alternance

des atomes de Silicium (Si) sur lesquels sont greffés des radicaux carbonés et

des atomes d’oxygène. C’est cette liaison “silicium - oxygène” qui est à

l’origine de l’appellation “silicone”.

Réticulation : La réticulation d'un matériau polymère est une réaction

chimique, se produisant lors d'une polymérisation, d'une polycondensation ou

d'une polyaddition, et qui lie entre elles de manière permanente (par liaison

covalente) les macromolécules qui le constituent.

3. http://www.cerameurop.com/spip.php?rubrique78

4. http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/chimie-2/d/polymere_803/

5. http://en.wikipedia.org/wiki/Polyethylenes

6. http://www.encyclopedie-gratuite.fr/Definition/chimie/PVC.php

7. http://fr.wikipedia.org/wiki/Polyur%C3%A9thane

8. http://fr.wikipedia.org/wiki/Silicone

Définitions liées au milieu médical

Prothèse : Le terme prothèse désigne le remplacement ou la consolidation d'un

membre, d'une partie de membre ou d'un organe par un appareillage approprié

mais aussi le dispositif qui est implanté dans l'organisme pour suppléer un

organe défaillant ou manquant permettant de restaurer une fonction qui est

compromise

Sonde : Pour le coût environ 50 euros par sonde JJ, les honoraires d'un médecin

pour la pose sont de 90 euros. Le coût pour l'hôpital est une journée

d'hospitalisation environ 1000 euros. En France on peut estimer que le nombre

de pose est de 40 à 50 000 par an.

Implant oculaire : L'implant est une lentille dessinée pour être fixée à

l'intérieur de l'œil en avant ou en arrière de l'iris, ou à la place du cristallin et

évite le port de lunettes. Parfaitement tolérés par l'œil, il n'y a jamais de rejet. Ils

sont durs en plexiglas ou souples en silicone, acrylique, ou hydrogel. Ils sont

conçus pour la vie et ne nécessitent aucun soin. L'intervention, si nécessaire, est

réversible.

Implant dentaire : L'implant dentaire est une racine artificielle ancrée dans l'os

de la mâchoire. Il sert à remplacer la racine d'une dent abîmée ou arrachée et à

soutenir une prothèse. L'implant dentaire est l'intermédiaire entre la prothèse et

l'os de la mâchoire, il transmet les forces de mastication au support osseux et

joue un rôle d'amortisseur

Prothèses articulaires : Prothèses articulaires (hanche, coude, genou, poignet,

...) : Une prothèse articulaire est un ajout ou mieux une substitution synthétique

destinée à remplacer en partie ou en totalité les surfaces articulaires d'une

articulation humaine ou animale. La restauration associée des moyens d'union

passifs est limitée, partielle ou totale.

Définitions liées aux techniques de caractérisation

Absorption des rayons X :

I = I0 e-µd - µ = k Z4 3

Fluorescence X :

La fluorescence X se réfère à la voie radiative. Le retour de l’atome dans son

état initial est un processus complexe qui dépend notamment du numéro

atomique de l’élément et qui met en jeu plusieurs électrons du cortège

électronique de l’atome. Il existe ainsi différentes désexcitations électroniques.

Chacune d’elles est associée à l’émission de photons dont l’énergie est

spécifique à cette désexcitation.

La microscopie électronique à balayage

La résolution spatiale sera donc pour les électrons primaires rétrodiffusés

de l’ordre du micromètre ou du dixième de micromètre (soit 10-7

m)à comparer à

la résolution spatiale associée aux électrons secondaires qui était de l’ordre

d’une dizaine de nanomètre (10-8

m)

EDX versus DRX

5001000150020002500300035004000

(cm-1

)

Ab

sorp

tio

n (

a.u

.)

OH OH

O-P-O

P-O

Particularités : quelques exemples

Les ciments osseux :

Les ciments acryliques osseux disponibles sur le marché sont fournis en

deux composantes, une poudre de polymère et un liquide monomère. Le

mélange de ces deux composantes est suivi par une réaction très exothermique

de polymérisation progressive du liquide monomère pour devenir une masse

solide. L’exposition de l’os à ces hautes températures a des conséquences

sur la nécrose osseuse et la détérioration tissulaire, pouvant tendre

finalement à l’échec de fixation de la prothèse.

Prothèse mammaires :

Le contenu idéal d’une prothèse doit être biocompatible, non

carcinologique, non immunologique, non allergique, durable,

radiotransparent, compatible avec son contenant, résorbable ou métabolisable,

de consistance naturelle et enfin, peu cher.

Chirurgie cardiaque :

La valve qui subit la pression la plus forte est la valve aortique. C’est elle

qui est le plus souvent calcifiée. La valve mitrale est peu souvent calcifiée alors

que la valve tricuspide et la valve pulmonaire ne le sont quasiment jamais.

Chirurgie estétique :

Many characteristics have been delineated for an ideal implant such as

inertness, non-toxicity, ease of sculpting, resistance to extrusion and

favourable interaction with surrounding tissue.

Rappel Introduction

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Questions :

- Donner la définition d’un biomatériau

- Donner la définition d’une prothèse

- Donner la définition d’une céramique

- Quel est le nombre de prothèses de hanche

implantées en France par an ?

- Donner la définition d’une biocompatibilité

- Donner la définition d’une biointégration (différence

entre prothèse de hanche et sonde urinaire)

- Discuter le terme relargage

- Quels sont les spécialités médicales concernées ?

avec quels exemples ?

- Donner quelques alliages métalliques utilisés comme

biomatériaux ?

- Quel problème avec le chrome ?

- Quelles techniques de caractérisation utilisées ?

techniques de laboratoire et spécifiques au

rayonnement synchrotron.

Rappel Chapitre 1A : Polymères

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Questions :

- Donner la définition d’un polymère

- Quelle différence entre un polymère ramifié et un

copolymère ?

- Donner la définition d’un silicone

- Donner la définition de la transition vitreuse, de la

réticulation

- Donner la définition d’un biofilm

- Différence entre une sonde et un cathéter ?

- Quels sont les matériaux utilisés pour une sonde

urinaire ?

- Variation en Z de l’absorption d’un matériau ?

- Nature des éléments lourds utilisés ? et pourquoi ?

- Nombre de sondes urinaires posées en France

- Que signifie JJ pour la sonde urinaire ?

- Quel type de revêtement pour la sonde ?

- Inconvénient du latex ?

1

10

100

1000

104

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

N47418c-Sonde.txt

Flu

o X

Num�ro de Canal

Ca

Kalpha 3692 eVMo

Kalpha 17480 eV

Energie = a * (Num�ro du Canal) + b

1

10

100

1000

104

0 5000 10000 15000 20000

Em

issi

on

Flu

o X

Energie (eV)

Ca

Zn

8639 K alpha

9572 K beta

Sr

14170 K alpha

P

Ar

1

10

100

1000

104

0 5000 10000 15000 20000

Sonde Neuve - El�ment RadioopaqueF

luo

X

Energie (eV)

Bi

K Alpha 10840 .eV

K Beta 13020. eV

Questions :

- Exemples de pathologies liées à la pose d’une sonde urinaire

- Localisation des calcifications

- Morphologie des cristallites de weddellite ?

- Morphologie des cristallites de cystine ?

- Défauts du marquage de la sonde ?

- Morphologie des cristallites d’apatite ?

- Quels types de défauts à la surface de l’apatite et pourquoi ?

- Gamme des photons Infra rouge ?

- Nature des informations collectées par infra rouge ?

- Comparaison avec la fluorescence X ?

- Comparaison avec la diffraction X

- Différence entre élongation et déformation ?

- Analyse d’un spectre infrarouge ?

- Différence avec le RAMAN ?

- Différence entre le spectre RAMAN d’une apatite biologique et d’une

apatite cristallisée ?

- Quel est le problème avec les ciments phosphatiques qu’il convient

d’appréhender ?

- Comment réduire l’adhérence bactérienne ?