06/01/2016

1

Biomatériaux(Dispositifs médicaux)

Biocompatibilité et Ingénierie tissulaire

Pr D. HartmannUniversité C. Bernard-Lyon

ISPB/UMR CNRS 5510 « MATEIS »

Introduction :LES PRODUITS DE SANTE

(dépendant de l’ANSM, l’EFS et l’Agence de la Biomédecine)

� Médicaments

� Dispositifs médicaux (DM)

� Dispositifs médicaux de diagnostic in vitro

� Produits cosmétiques

� Sang humain et dérivés sanguins

� Organes, tissus ou cellules humaines ou animales

06/01/2016

2

DEFINITION DU DM

Selon le CSP (art L. 5211-1)

« On entend par DM tout instrument, appareil, équipement, matière, produit, à l'exception des produits d'origine humaine, ou autre article utilisé seul ou en association, y compris les accessoires et logiciels intervenant dans son fonctionnement, destiné par le fabricant à être utilisé chez l'homme à des fins médicales et dont l'action principale voulue n'est pas obtenue par des moyens pharmacologiques ou immunologiques ni par métabolisme, mais dont la fonction peut être assistée par de tels moyens »

DM

� Ainsi tout « objet » utilisé à des fins médicales qui n’est ni un médicament ni un produit biologique peut être un dispositif médical

� Cette catégorie est vaste, hétérogène et comprend les produits les plus simples ainsi que les dispositifs les plus avancés technologiquement

06/01/2016

3

Le mécanisme d’action

Le dispositif médical

Finalité médicale

– Action mécanique

– Barrière physique

– Remplacement d’organes

– Support

Les DM et leurs utilisations

� Diagnostic, prévention, contrôle, traitement ou atténuation d’une maladie

� Diagnostic, prévention, contrôle, traitement, atténuation ou compensation d’une blessure ou d’un handicap

� Etude, remplacement ou modification de l’anatomie ou d’un processus physiologique

� Maîtrise de la conception

� La destination émane du fabricant

06/01/2016

4

DM et progrès médical

� Les défibrillateurs automatiques implantables ont fait baisser en 20 ans de 40% le nombre d’arrêts cardiaques mortels

� Les DM sont associés à de nombreuses innovations thérapeutiques (stents/sténoses, LIO/cataracte, PTH/arthrose, pompe à insuline/diabète, stimulateur sous-thalamique/Parkinson…)

Prélèvement d’un rein (Pr X. Martin, HEH -2010)

06/01/2016

5

Les DM

Pansements

Équipements de radiologieProthèses

dentaires

Préservatifs

« Plâtre » pour immobilisation

Seringues et aiguilles

Automates d’analyse médicale

ECG

Oxygénateur

Lentilles intraoculaires

Thermomètre médical

TensiomètreLits médicaux

Qu’est-ce un biomatériau ?� Biomatériau (définitions extraites de la littérature)

- Matériau non vivant utilisé dans un dispositif médical dans

le but d’une interaction avec des systèmes biologiques.

- Matériau synthétique utilisé pour remplacer une partie d’un

système vivant ou pour fonctionner en contact intime avec

un tissu vivant.

- Substance systémiquement et pharmacologiquement inerte

conçue pour implantation dans ou incorporation avec des

systèmes vivants.

� Biomatériau / Matériau biologique

- Un matériau biologique est un matériau produit par un système biologique tel que la matrice osseuse ou l’émail dentaire.

� Biomatériau / Dispositif médical

06/01/2016

6

Définition générale (1)

Sous le terme générique de BIOMATERIAUX, sont considérés l’ensemble des matériaux d’origine naturelle ou de synthèse, solides, solubles ou insolubles, dégradables ou non, susceptibles d’être utilisés comme implants dans un organisme afin d’y remplir des fonctions de suppléances spécifiques ou d’y être utilisés à des fins thérapeutiques, chirurgicales, diagnostiques ou de stockage.

Définition générale (2)

Ils représentent donc une classe particulière de matériaux utilisés sous contrainte biologique et devant, de ce fait, satisfaire aux critères de Biocompatibilité, c’est-à-dire de Biosécurité et de Biofonctionnalité.

06/01/2016

7

Le Secteur des BIOMATERIAUX recouvre des activités nombreuses et diverses :

- PROTHESES ET IMPLANTS (ex : prothèse totale de hanche) - ORGANES ARTIFICIELS (ex : rein artificiel) - PRODUITS et APPAREILS EN CONTACT AVEC LE SANG (ex : cathéters)- SYSTEME de LIBERATION CONTROLEE de MEDICAMENTS (ex : pompe à insuline)

ETAPES DE DEVELOPPEMENT ET DE QUALIFICATION

D’UN BIOMATERIAU (1)� CONCEPT INITIAL

� CAHIER DES CHARGES

(FONCTION, DURABILITE, FORME)

� PROPRIETES REQUISES

� SELECTION DE MATERIAUX

� ELABORATION DU BIOMATERIAU

� TESTS DE QUALIFICATION IN VITRO ET IN VIVO (CONTRAINTES MECANIQUES, CONTRAINTES BIOLOGIQUES)

06/01/2016

8

ETAPES DE DEVELOPPEMENT ET DE QUALIFICATION

D’UN BIOMATERIAU (2)

� DEGRADATION D’ORIGINE MECANIQUE (USURE, FATIGUE)

� DEGRADATION D’ORIGINE CHIMIQUE (HYDROLYSE, OXYDATION, CORROSION ...) OU BIOLOGIQUE (ACTIONS ENZYMATIQUES)

� EVALUATION PRE-CLINIQUE (INVIVO/BIOCOMPATIBILITE)

� EVALUATION CLINIQUE

� APPLICATIONS

Cahier des charges d’un pansement

ou d’un substitut cutané- Créer un environnement favorable à la cicatrisation- Maintenir une tension de vapeur correcte à l’interface pansement-plaie et permettre les échanges gazeux

- Apporter une isolation thermique, être non adhérent mais absorbant et protéger de l’infection

- Réduire la douleur et pouvoir transporter des médicaments

- Assurer une protection mécanique, être facile à manipuler et ne pas nécessiter des changements fréquents

- Etre transparent, ininflammable, stérilisable- Etre stockable et utilisable en milieu hospitalier et d’un bon rapport coût/efficacité

06/01/2016

9

Le cycle de conception d’un implant

L’idée La forme Le procédé

La méthodeL’usage

Nature des biomatériaux4 Grandes catégories de BIOMATERIAUX

� LES METAUX:* non alliés : titane, tantale, platine * alliages métalliques : aciers inoxydables, alliages de titane, de cobalt, de chrome…

� LES CERAMIQUES : Alumine, zircone, carbone pyrolytique Phosphates et carbonates de calcium, verres…

� LES POLYMERES ORGANIQUES SYNTHETIQUES: Polyoléfines, polyvinyliques, polyacryliques, polyamides, polyesters, polyéthers, silicones, PTFE, élastomères, … où l’on trouve des marques commerciales bien connues telles que le DACRON, le TEFLON, le NYLON

� LES MATERIAUX D’ORIGINE NATURELLE : tels que la cellulose, le collagène, le corail, la chitine

06/01/2016

10

Polymères

� Polyoléfines :

* polyéthylène [-CH2-CH2-]n* polypropylène [-CH(CH3)-CH2-]n

� Polyvinyliques : [-CH2-CHCl-]n� Polyacryliques : [-CH2-CR1(COOR2)-]n� Polyesters : -CH2-COO-

� Polyéthers : -CH2-O-

� Polyamides : -CO-NH-

� Silicones : -Si-O-Si-O-Si-

Tous ces matériaux ont des avantages et des inconvénients spécifiques selon le type d’application.

06/01/2016

11

FONCTIONS DES BIOMATERIAUX• Fonction de support (ex. : remplacement d’une articulation) • Fonction de remplacement d’un tissu ou organe (ex. : peau, vaisseaux sanguins, dent / dialyseurs) • Fonction d’aide à la guérison (ex. : distribution contrôlée de médicaments, vis et plaques d’ ostéosynthèse, sutures) • Fonction d’amélioration d’un processus (ex. : régulation du rythme cardiaque, implants cochléaires, lentilles intra-oculaires) • Fonction réparatrice et esthétique (ex. : chirurgie réparatrice maxillo-faciale, implants mammaires) • Fonction de transport pour fluides naturels (ex. : sondes, canules, cathéters) ou pour médicaments (ex. : chambres implantables)• Fonction de diagnostic

ECHECS DES BIOMATERIAUX

� Echecs dus au biomatériau (nature, CQ) - résistance insuffisante - relargage de molécules agressives

� Echecs dus à l’environnement biologique - formation de thromboses - fracture à l’interface de l’implant

� Echecs dus aux techniques médico-chirurgicales - technique inadéquate - choix impropre du dispositif

06/01/2016

12

Métallose (relargage d ’ions métalliques)

Usure du polyéthylène d'une prothèse unicompartimentale et d'une prothèse tricompartimentale

06/01/2016

13

L’innovation dans le secteur des biomatériaux

� 1ère génération :

Performances technologiques

� 2ème génération :

Performances biologiques

EVALUATION DE LA BIOCOMPATIBILITE

06/01/2016

14

Le CONTACT PROLONGE avecles TISSUS VIVANTS

est la caractéristique commune desbiomatériaux et dispositifs

médicaux

d’où la NECESSITE d’utiliser des matériaux assurant une bonne

COMPATIBILITEavec le tissu vivant

Définition� La biocompatibilité c’est la capacité d’un matériau à être utilisé avec une réponse appropriée de l’hôte pour une application spécifique.

� La biocompatibilité d’un matériau est l’ensemble des critères d’appréciation des interrelations entre ce matériau et le milieu environnant et de leurs conséquences locales ou générales, immédiates ou différées, réversibles ou définitives.

06/01/2016

15

Que recouvre le terme de Biocompatibilité?

� BIOCOMPATIBILITE PASSIVE = pas de réaction adverse avec le tissu vivant

� BIOCOMPATIBILITE ACTIVE = réaction souhaitée du tissu vivant.(Ex : sutures résorbables,.. la réaction inflammatoire participe à la résorption)

Biocompatibilité=

Capacité d’un matériau / dispositif médical à induire une réponse appropriée de l’hôte

dans une application donnée

Outils :• Exigences Essentielles Directive 93/42 CE• Normes ISO 10993 / EN 30993• Normes verticales spécifiques à un produit• Normes spécifiques matériaux implantables

Qu’est ce que la biocompatibilité ?

Sécurité (toxicologique) et performances sont indissociables

06/01/2016

16

De la notion de contact d’un corps étranger D.M., biomatériau(x) constitutif(s) avec l’organisme (=> réaction de l’un sur l’autre) découle celle de sa biocompatibilité:

— sa tolérance = ce qu’il ne doit pas être: toxique, irritant, mutagène, cancérogène

— sa capacité à remplir son rôle dans une application donnée avec une réponse de l’hôte appropriée.

Biomatériau = matériau utilisé sous contrainte biologique

=> effet du milieu biologique sur le matériau (corrosion, dégradation, contraintes mécaniques, usure, rupture)

=> effet du matériau sur le milieu biologique (intolérance, toxicité, allergie cutanée dues à des substances chimiques libérées par le matériau, réaction inflammatoire, processus thrombotique si contact avec le sang (Cf. hémocompatibilité)

=> dans une application donnée -> biocompatibilité = notion relative

• Résidus de polymère PE d’emballage sur pièces en titanes

!

Rappel :

• Résidus de nettoyage final des pièces

• Résidus de pâte à polir, polissage

• Dégradation due au marquage laser

LA BIOCOMPATIBILITE EST A EVALUER SUR LE PRODUIT FINI,

CONDITIONNE, STÉRILISE

06/01/2016

17

FACTEURS DE LA BIOCOMPATIBILITE

� Ceux qui relèvent du biomatériau— composition chimique — forme — propriétés de surface

� Ceux qui relèvent de sa destination— nature du tissu — état du site de contact — contraintes mécaniques — technique chirurgicale

Polymère

Produit biologique

+ réticulation

Métal

Céramique

STERILE

Dépôts amorphes

Cristallins

Echanges eau, ions

Encapsulation

fonction

Activation de la coagulation

PK, fibrine, thrombose,

Activation du complément

Surface d’échange

PERFORMANCES

Toxicité aiguë

Irritation

Sensibilisation

Toxicité chronique

Mutagénèse

Cancérogénèse

Tolérance locale

La biocompatibilité : les différents acteurs

06/01/2016

18

SECURITE DES DISPOSITIFS MEDICAUX

Analyse de risques

EN / ISO 10993-1 à 21 -EN 550-552-554-556

-ISO 11135-ISO 11137-ISO 11134

-ISO 11737-1

-ISO TR 13409

-NF EN 1174-1 à 3

-NF EN 556

et NF EN 556 + A1

-NF EN 868-1 à 8

-ISO 11607

NF EN 1041

Toxicologique Microbiologique

« Etat stérile »

Emballage/

conditionnement

Notice

d’utilisation

Informations

EVALUATION PRECLINIQUE DES DISPOSITIFS MEDICAUX –

ANNEXE X (DIRECTIVE 93/42)

• Lignée cellulaire

- Lignées cellulaires établies (L929 fibroblastes de souris)

- Les cultures primaires ne sont utilisées que si une réponse reproductible

et sensible peut être démontrée

• Procédure

- Contact indirect ou direct : surface du spécimen de 1/10 de la surface de

la culture cellulaire

- 3 cultures / matériau et contrôles

- Extrait initial et/ou ses dilutions

• Détermination de la cytotoxicité

- Critères qualitatifs : modifications de la morphologie cellulaire par examen

microscopique

- Critères quantitatifs : mesure de la mortalité cellulaire, de l’inhibition de

croissance (nombre de cellules, exclusion d’un colorant vital, dosages

protéiques, enzymatiques…)

TEST DE CYTOTOXICITE

06/01/2016

19

Exemple : Test de cytotoxicité sur extrait 2/5

Culture cellulaire à 60% de confluence : Présence de cellules vivantes allongées en faisceau

���� Absence de cytotoxicité

���� Produit cytotoxique 100%Cellules lysées

+ débris

Présence de cellules mortes arrondies

et lysées

Exemple : Test de cytotoxicité sur extrait 3/5

06/01/2016

20

Coloration au rouge neutre

Cellules vivantesCellules mortes���� Produit cytotoxique 50%

Exemple : Test de cytotoxicité sur extrait 4/5

Culture d’ostéoblastes dans un substitut (MEB)

Test de prolifération cellulaire(MTT)

Cytotoxicité/Ostéoconduction

06/01/2016

21

Irritation = réaction inflammatoire localisée après application unique ou répétée,

sans mise en cause d’un mécanisme immunologique.

• Pas de méthode in vitro approuvée pour détecter les substances irritantes ou

sensibilisatrices.

• L’utilisation de témoin positif n’est pas nécessaire pour chaque essai (validation

périodique).

• Facteurs à prendre en compte :

- Le degré d’occlusion

- L’application de la substance

- La zone d’application

- La durée d’exposition

TEST D’IRRITATION

• Test d’irritation cutanée1/. Par injection intradermique (extraits)

2/. Par application directe (irritation primaire cutanée)

Lecture des réactions à 24, 48 et 72 h : présence d’œdème et

d’érythème? Classification de la réaction : grades de 0 à 4

Différence des grades entre le produit et le véhicule

•Tests d’irritation oculaire (lapin), orale (hamster), vaginale (lapin), pénienne (lapin), rectale (lapin)

• Ces tests peuvent être réalisés après des administrations itératives du produit

NF EN ISO 10993-10 : lapins

TEST D’IRRITATION

06/01/2016

22

RECHERCHE D’UN POUVOIR IRRITANT RECHERCHE D’UN POUVOIR SENSIBILISANT

1er contact avec l’animal

Réaction érythémateuse et/ou

oedémateuse

=

IRRITATION SENSIBILISATION

1er contact

Pas de réaction

2eme contact

Réaction érythémateuse et/ou

oedémateuse

=

3eme contact

Pas de réaction

Repos 14 jours minimum

RECHERCHE DU POUVOIR SENSIBILISANT

Le remplacement tissulaire

06/01/2016

23

Greffes(auto-, allo- ou xénogreffes)

Techniques chirurgicalesOrganes artificiels /

Prothèses

Remplacementtissulaire

Ingénierie tissulaire

L’ingénierie tissulaire

06/01/2016

24

La matrice extracellulaire

� La matrice extracellulaire est la substance qui associe épithéliums et endothéliums

� Elle entoure toutes les cellules conjonctives apportant un soutien physique et une résistance mécanique aux tissus, organes et à l’organisme dans son ensemble

� Ne sont ainsi pas considérées comme molécules de la MEC:- les molécules associées à la MEC mais dont la fonction n’est pas structurante (MMPs, cytokines…)- les protéoglycannes associés à la membrane cellulaire (CD44, syndécans…)- les intégrines

06/01/2016

25

INGENIERIE TISSULAIRE

Nature des cellules• Cellules différenciées• Cellules souches

Conditions de culture• Addition de cytokines et de facteurs de croissance (TGFββββ, BMP2)• Utilisation de bioréacteurs• Culture sous contrainte mécanique

Matrice• Résorbable ou non• Naturelle ou synthétique

Des cellules pluripotentes / multipotentes au tissu

Clonage thérapeutique Cellules dérivéesdu sang de cordon

Cellules souches adultes(mésenchymateuses, hématopoiétiques)

Embryons congelés surnuméraires

cellule

ovocyte

TissuMuscle,Os, PeauCartilage,Nerf …

embryon

06/01/2016

26

La matrice tridimensionnelle

- Synthétique

- Naturelle

Cahier des charges d’une matrice tridimensionnelle pour l’ingénierie tissulaire (1)

� Composition définie et reproductible

� Forme et géométrie choisies

� Micro-architecture étudiée

� Propriétés physico-chimiques optimisées

� Activité biologique et compatibilité cellulaireoptimales

� Résistance mécanique adaptée

06/01/2016

27

Cahier des charges d’une matrice tridimensionnelle pour l’ingénierie tissulaire (2)

� Dégradabilité contrôlée et stabilitédimensionnelle

� Adaptabilité à la technique opératoire

(maniabilité, durée de mise en place, effet dela température) - Injectabilité

� Stérilisabilité

� Industrialisation possible

� Coût acceptable

� Biomatériaux synthétiques

– Acide polyglycolique

– Acide polylactique

– Acide polysébacique

– Hydroxyapatite

– Phosphate tricalcique

– Polyéthylène oxyde

– Poly(éthylène oxyde) diméthacrylate

– Poly(propylène fumarate co-éthylène glycol)

Matériaux pour l’ingénierie tissulaire (1)

06/01/2016

28

� Polymères naturels

– Acide hyaluronique

– Agarose

– Alginate

– Chitosane

– Collagène (gel ou éponge), gélatine

– Fibrine (caillot)

Matériaux pour l’ingénierie tissulaire (2)

Eponge de collagène

06/01/2016

29

� Composites

– Agarose / alginate

– Alginate / fibrine

– Céramiques biphasiques

– Collagène / glycosaminoglycannes

– Corail

– Derme acellulaire

– Matrice osseuse déminéralisée

– Nacre

Matériaux pour l’ingénierie tissulaire (3)

Céramiques biphasiques

06/01/2016

30

Exemple 1:

Réparation ducartilage articulaire adulte

06/01/2016

31

1

64 5

2 3

06/01/2016

32

06/01/2016

33

06/01/2016

34

Chondrocytes dans une matriced’alginate / agarose

06/01/2016

35

Mise en évidence duphénotype chondrocytairepar imunomarquage du collagène de type II

Culture tridimensionnelle à J15 Anticorps anti-collagènede type II humain au 1/500 Technique péroxydase avecrévélation à la DAB

Exemple 2:

Réparation cutanée

06/01/2016

36

Substitut cutané (Apligraf TM)

Kératinocyteshumains

Fibroblasteshumains

Matrice de collagène bovin

Tissu murin

Epiderme

Derme

Membrane basale

7-14 j 100-181 j jonction

Col Vh

Col Ih

Col IVh

M

M

M

06/01/2016

37

K

FK

ER

col col

500 nm2 µm200 nm

200 nm2 µm 500 nm

500 nm5 µm

G

µF

500 nm

F

1. Ce néo-tissu apporte au site de cicatrisation des cellules qui restent vivantes et actives jusqu’à un an après la greffe,

2. Le collagène bovin présent dans la greffe est progressivement remplacé par du collagène humain et du collagène de souris,

3. On observe une synthèse de nouvelles molécules comme l’élastine.

06/01/2016

38

Développements futurs

� Nouveaux biomatériaux

� Incorporation de cytokines, facteurs de croissance…

� Greffage de peptides promoteurs de l’adhésion cellulaire (Arg-Gly-Asp)

Médecine régénératrice

�Remplacer le tissu manquant ou lésé

en aidant l’organisme à régénérer lui-

même son propre tissu

« Les besoins de la population âgée sont en train

de dominer la médecine. Je pressens que la

médecine régénératrice va pouvoir répondre à ces

besoins »

(W. Haseltine, Bio 2000)

06/01/2016

39

Le Futur ?

Merci de votre attention !