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