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M1 Science des matériaux -Matériaux pour la médecine
15 heures aux biomatériaux – Introduction – Jeudi 22 Septembre 2011 - 1 -
M1 Science des matériaux
Matériaux pour la médecine
15 heures
D. Bazin
Directeur de Recherches CNRS
Laboratoire de Physique des Solides UMR 8502,
Université Paris Sud, Bât 510 91405 Orsay Cedex, France.
Cours Jeudi 22 Septembre 2011 Matin 9h-12h30 [2h30]
Cours Jeudi 29 Septembre 2011 Matin 9h-12h30 [2h30]
Cours Jeudi 6 Octobre 2011 Matin 9h-12h30 & 14h-17h30 [5h]
Cours Jeudi 13 Octobre 2011 Matin 9h- & 14h-17h30 [5h]
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15 heures aux biomatériaux – Introduction – Jeudi 22 Septembre 2011 - 2 -
Biomatériaux
Définition : « Matériaux non vivants utilisés dans un dispositif
médical destiné à interagir avec les systèmes biologiques ».1
Science des matériauxTechniques de
caractérisation
Médecine
Biomatériaux
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
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15 heures aux biomatériaux – Introduction – Jeudi 22 Septembre 2011 - 3 -
Science des matériauxTechniques de
caractérisation
Médecine
Biomatériaux
Les alliages métalliques
Les céramiques
Les polymères
Les matériaux d'origine naturelle
Ophtalmologie,
Odontologie,
Chirurgie orthopédique,
Chirurgie cardiaque,
Urologie.
La microscopie électronique à balayage
La microscopie électronique à transmission
La fluorescence X, La diffraction des Rayons X
La spectroscopie I.R. & Raman
Synchrotron
La spectroscopie I.R.
La spectroscopie d’absorption X
Sonde urinaire
Prothèse de hanche
Ciments
Agents de contraste
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15 heures aux biomatériaux – Introduction – Jeudi 22 Septembre 2011 - 4 -
Caractérisation multi-échelle : depuis l’atome, puis la cellule, à l’organe
Science des matériauxTechniques de
caractérisation
Médecine
Biomatériaux
Les alliages métalliques
Les céramiques
Les polymères
Les matériaux d'origine naturelle
Ophtalmologie,
Odontologie,
Chirurgie orthopédique,
Chirurgie cardiaque,
Urologie.
La microscopie électronique à balayage
La microscopie électronique à transmission
La fluorescence X, La diffraction des Rayons X
La spectroscopie I.R. & Raman
Synchrotron
La spectroscopie I.R.
La spectroscopie d’absorption X
Sonde urinaire
Prothèse de hanche
Ciments
Agents de contraste
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Science des matériauxTechniques de
caractérisation
Médecine
Biomatériaux
Les alliages métalliques
Les céramiques
Les polymères
Les matériaux d'origine naturelle
Ophtalmologie,
Odontologie,
Chirurgie orthopédique,
Chirurgie cardiaque,
Urologie.
La microscopie électronique à balayage
La microscopie électronique à transmission
La fluorescence X, La diffraction des Rayons X
La spectroscopie I.R. & Raman
Synchrotron
La spectroscopie I.R.
La spectroscopie d’absorption X
Sonde urinaire
Prothèse de hanche
Ciments
Agents de contraste
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Ce cours est une initiation aux biomatériaux. Il repose sur des travaux généralement récents
couvrant la période 2000-2010.
Revues « sciences des matériaux »
Biomaterial Acta Biomaterialia, Progress in Solid State Chemistry, J. Mater. Chem, Langmuir, J. Am.
Chem.Soc, MaterialsScience and Engineering: C, Biochimie, Inorg. Chim. Acta, Phys. Chem. Chem.
Phys, J. Phys. Chem. C, Crystal growth desigh, Proc Natl Acad Sci, Chemical Engineering J. , J. of
Hazardous Materials
Revues médicales et de biologie
Osteoporosis International , Calcif. Tissue International, Osteoarthritis and cartilage, Biochem and
Biophys. research Comm., Acta Ortopédica Brasileira
Différentes thèses & stages de licence de physique & application de
l’université Paris XI
- R. Legros, "Apport de la physico-chimie à l’étude de la phase minérale des tissus calcifiés", thèse d’État, INP,
Toulouse,1978.
- F. Guillemot, "Etude métallurgique d’alliages de titane pour applications médicales", Doctorat de sciences des matériaux,
option métallurgie, INSA, Rennes, 21 Décembre 2000.
- M. Banu, " Mise en forme d’apatites nanocrystallines : céramiques et ciments. "
N° d’ordre : 2228, Ecole doctorale : Matériaux-Structures-Mécanique, Spécialité : Science et Génie des Matériaux juin
2005.
- W. Gao, Synthèse et caractérisation de revêtements de silicate de lanthane de structure apatitique élaborés par projection
plasma dédiés aux piles à combustibles IT-SOFCs
Septembre 2008, Université de technologie de Belfort-Montbéliard.
- Y. Fourdain, Caractérisation des microcalcifications pathologiques de valves aortiques, Licence Physique et Applications,
Université Paris-Sud XI,2008.
- P. Seznec,C. Moreau,Caractérisation structural et chimique de calcifications articulaires, Rapport de stage, Université P et
M Curie,2010.
- F. Boudaouine, Caractérisation par fluorescence X, microscopie électronique à balayage et spectrophotométrie infrarouge
de calcifications sur sonde urinaire JJ, apport de stage LIII, Université Paris XI, 2010.
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15 heures aux biomatériaux – Introduction – Jeudi 22 Septembre 2011 - 7 -
Chapitre 0.0 Quelques exemples2
Utilisation interne
Les alliages de titane dans le domaine biomédical,
2. C. Demangel, les alliages de titane dans le domaine biomedical, journée technique du 24
avril 2008
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15 heures aux biomatériaux – Introduction – Jeudi 22 Septembre 2011 - 8 -
Utilisation Externe
Cathéter3
Définition : Un cathéter (abrégé KT) est un dispositif médical consistant en
un tube, de largeur et de souplesse variables, et fabriqué en différentes matières
selon les modèles ou les usages pour lesquels ils sont destinés. Le cathéter est
destiné à être inséré dans la lumière d'une cavité du corps ou d'un vaisseau
sanguin et permet le drainage ou l'infusion de liquides, ou encore un accès pour
d'autres dispositifs médicaux. La procédure d'insertion d'un cathéter se nomme
le cathétérisme
3. http://fr.wikipedia.org/wiki/Cath%C3%A9ter
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15 heures aux biomatériaux – Introduction – Jeudi 22 Septembre 2011 - 9 -
Les infections4 liées aux cathéters constituent la
troisième cause d’infections nosocomiales en
réanimation, les cathéters veineux centraux étant les
plus impliqués5.
L’utilisation de cathéters imprégnés de substances à
caractère antibactérien représente une solution efficace
car elle permet de ralentir sensiblement leur
colonisation par des bactéries.
Dès 1982 Greco et Harvey6 montrent l’effet
prophylactique de l’oxacilline et du chlorure de
benzalkonium dans le cas de cathéters en
poly(tétrafluoroéthylène) (PTFE) implantés chez le
chien.
4. G. Pavon-Djavid et al., « Les biomatériaux inhibiteurs de l’adhérence et de la prolifération
bactérienne : un enjeu pour la prévention des infections sur matériel prothétique » ITBM-
RBM 26 (2005) 183–191
5. Nitenberg G. Les cathéters imprégnés d’agents anti-infectieux: intérêt et limites. In:
Crémieux AC, W M, editors. Infections à staphylocoques sur prothèse. De la prévention au
traitement. Paris: EDK; 2001. p. 21–36.
6. Greco RS, Harvey RA. The role of antibiotic bonding in the prevention of vascular
prosthetic infections. Ann Surg 1982;195(2):168–71.
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15 heures aux biomatériaux – Introduction – Jeudi 22 Septembre 2011 - 10 -
Relation entre infection & chimiothérapie
Les études cliniques, lots des cathétérismes veineux en chimiothérapie, font
apparaitre des complications d’ordre essentiellement septique7.
Depuis peu, l’observation en microscopie électronique des cathéters
utilisés pour ces traitements a permis de corréler l’apparition de ces problèmes
avec l’état de la surface interne des cathéters. En effet certaines
chimiothérapies agressives altèrent fortement les propriétés des
matériaux (silicone ou polyuréthane).
On observe alors un creusement irrégulier ou un plissement de la
surface du cathéter qui facilite l’adhérence bactérienne et la thrombose8,9
.
Ces problèmes peuvent être limités par une surface interne des cathéters aussi
lisse que possible. De plus, la présence d’un opacifiant dans le cathéter nécessite
une couche de protection à l’intérieur et à l’extérieur10
.
7. P. Lauque et al., Eur. Polym. J. Vol. 32, No. 6, pp. 725-733. 1996
8. J. Y. Ranchée, E. Tabone et J. F. Latour. Ann. Fr. Anesth. Rtanim. 7, 517 (1988).
9. J. Y. Ranchée. E. Tabone. J. F. Latour. D. Coullioud et P. Biron. Ann. Fr. Anesih. Rtianim.
7, 76 (1988).
10. E. Tabone, J. F. Latour, A. Mignot et J. Y. Ranchée. Biomaterials 12. 741 (1991).
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15 heures aux biomatériaux – Introduction – Jeudi 22 Septembre 2011 - 11 -
Sonde urinaire JJ11
Définition :12 : La sonde dite en "double J" est en fait un petit tuyau placé
entre le rein et la vessie, qui permet à l'urine de s'écouler librement. Elle est dite
en "double J" à cause de la forme recourbée de ses deux extrémités. La sonde est
faite en plastique souple ou en silicone.
11. http://www.urologieversailles.org/sonde-jj.html
12. http://www.uropage.com/ART_calc5.php
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Définition : Urétéroscope 13
Tube fin (2 à 4 mm de diamètre) souple ou
rigide introduit dans l'uretère pour examen et intervention endoscopique :
lithiase, rétrécissement, tumeur. ...
(films)
14 15
16
13. http://www.urologienice.fr/
14. http://www.prostate-paris.fr/images/b_395930_image1.jpg
15. http://www.olympus-europa.com/endoscopy/427_Rigid_Ureteroscopes.htm
16. http://www.medwow.com/used-renal-endoscope/olympus/urf-
p3/793092498.item?xlang=5
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15 heures aux biomatériaux – Introduction – Jeudi 22 Septembre 2011 - 13 -
Pace maker17
Un pace maker simple chambre qui ne stimule qu'une seule cavité (oreillette ou ventricule)
Un pace maker double chambre qui stimule les deux cavités
17. http://www.cardiodiac.net/PaceMaker.htm
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15 heures aux biomatériaux – Introduction – Jeudi 22 Septembre 2011 - 14 -
Pancréas artificiel18
19
Research at Boston University 2006 20
Une équipe américaine vient de présenter un petit appareil, semblable à
une pompe à insuline, qui serait capable de réguler la glycémie. Sa double
originalité est d'injecter deux hormones et d'être contrôlé par un ordinateur.
L'appareil se destine au traitement du diabète de type 1 et vient de faire ses
preuves sur un petit groupe de patients. Il a déjà permis de mieux comprendre
des déboires antérieurs.
18. http://www.provence-diabete.fr/spip.php?article44
19. http://vulgariz.com/wp-content/uploads/2009/03/pompe-insuline.jpg
20. http://www.bu.edu/research/spotlight/magazine/06/action/damiano.html
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15 heures aux biomatériaux – Introduction – Jeudi 22 Septembre 2011 - 15 -
21
L'artériographie est l'exploration du système artériel. Cette évaluation du
système artériel est rendu possible par l'injection d'un produit de contraste à base
d'iode. Ce produit de contraste radio-opaque est introduit dans une artère par un
ensemble aiguille/système en téflon au pli de l'aine, ou plus rarement, au niveau
du bras22
.
21. M. Hoheisel / Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 563 (2006) 215–224
22. http://www.info-radiologie.ch/arteriographie.php
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Imageries
23
Complexe chimique pour l’imagerie
Imagerie24
: Le réacteur HFR est une petite installation nucléaire située à
Petten, aux Pays-Bas. Il a été discrètement mis à l'arrêt, vendredi 19 février,
pour des opérations de réparation et de maintenance. Prévue pour durer six mois,
cette mise au repos est passée relativement inaperçue. Elle n'en menace pas
moins les approvisionnements mondiaux en molybdène 99 (99Mo), l'élément
radioactif utilisé dans 80 % des protocoles d'imagerie médicale nucléaire. Au
point que, sporadiquement au moins, de nombreux services hospitaliers devront
trouver des alternatives à ces méthodes d'imagerie, renoncer à certains actes ou
encore revoir leur organisation pour économiser une ressource devenue rare.
23. http://scintigraphie-paris.com/osseuse.php
24. http://www.unicaen.fr/services/imogere/pdf/R10-132.pdf
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Historique – Prothèses
Définition : 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.
In 1972, indeed, Amadeo Bobbio discovered Mayan skulls, some of then
more than 4000 years old, in which missing teeth had been replaced by nacre
substitutes25
.
Nacre is a natural composite consisting of 95–98 wt.% of calcium
carbonate (aragonite, the ‘ceramic’ phase) and 2–5 wt.% of organic matter
(fibrous proteins, polysaccharides).
A 3,000-YEAR-OLD PROSTHESIS26
25. Bobbio, A., The first endosseous alloplastic implant in the history of man. Bull. Hist.
Dent., 1970, 20(1), 1–6.
26. http://scienceblogs.com/neurophilosophy/2007/07/a_3000yearold_prosthesis.php
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15 heures aux biomatériaux – Introduction – Jeudi 22 Septembre 2011 - 18 -
Les plus anciens textes rédigés27
introduisant la notion de prothèse dans
une langue indo-européenne (ou sanscrit) que nous connaissions sont
vraisemblablement les Ecritures sacrées du brahmanisme et en particulier le Rig-
Veda. Ces hymnes, prières et formules incantatoires étaient transmises
oralement depuis très longtemps (entre 18 et 7 siècles avant J.C.) et ont subi
des adjonctions jusqu’au IVème siècle avant J.C. (Encycl. Hindu Universe)
En fait cela remonterait à la nuit des temps, durant la bataille de Khela où Vispala est
blessée. Sa jambe a été amputée " comme on peut rogner le bout des ailes aux oiseaux ".
Aussitôt, le dieu Asvins lui fournit une jambe en fer afin de pouvoir prendre part à la bataille
suivante.
28
27. http://www.handicoupe.com/Prothese/p_hist.htm 28. http://futurismic.com/2008/04/24/prosthetic-fluidhand-raises-the-bar/
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Historique - Matériaux
Définition : Céramique29
Par définition, les céramiques sont des matériaux non
métalliques, non organiques, obtenus par l’action de fortes températures.
30
29. http://www.cerameurop.com/spip.php?rubrique78
30. J.-M. Poujade et al., EMC-Dentisterie 1 (2004) 101–117
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15 heures aux biomatériaux – Introduction – Jeudi 22 Septembre 2011 - 20 -
Aspects Financiers – Epidémiologie ½
120 000 est le nombre de prothèses de hanche posées chaque année en
France. Ce chiffre élevé s'explique par la fréquence de l'arthrose, des autres
rhumatismes et des fractures du col de fémur, principales causes de cette
intervention31
.
La mise en place d'une prothèse du genou est une opération chirurgicale
très fréquente : environ 40 000 prothèses de genou sont posées, chaque année,
en France32
. On peut estimer le coup d’une opération d’une prothèse de hanche
en moyenne à 15.000 euros intégrant l’opération et son suivi thérapeutique soit
pour la prise en charge de l’arthrose en France un total de 3.5 milliards d’euros
par an.
110 000 implants dentaires sont posés chaque année33
.
Current synthetic bone substitutes market is about 40 million Euros in
Europe, with an expected 12% yearly increase (www.frost.com).
The clinical success associated to the use of ceramic has led to the
implantation of more than 3.5 million alumina components and more than
600,000 zirconia femoral heads worldwide since 199034
.
Depuis leur introduction comme têtes fémorales pour les PTH, environ
350 000 têtes en zircone PROZYR® ont été fabriquées et on estime qu'environ
280 000 de ces têtes ont été implantées35
.
Définition : Implants
36 Substance ou prothèse introduite dans le corps humain à
des fins de traitement ou de remplacement d'un organe (par exemple implant de
silicone lors de la reconstruction d'un sein après ablation). L'implant peut être
provisoire ou permanent.
31. http://www.france5.fr/sante/traitements/W00514/46/ 32. http://sante-az.aufeminin.com/w/sante/s699/maladies/prothese-du-genou.html
33. C. Demangel, Les alliages de titane dans le domaine médical, Journée technique du 24
Avril 2008.
34. Chevalier J, Gremillard L. Ceramics for medical applications: a picture for the next 20
years. J Eur Ceram Soc 2009;29:1245–55.
35. http://www.maitrise-orthop.com/corpusmaitri/orthopaedic/96/cales/cales.shtml
36. http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/medecine-2/d/implant_2726/
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15 heures aux biomatériaux – Introduction – Jeudi 22 Septembre 2011 - 21 -
Aspects Financiers – Epidémiologie 2/2
L’incontinence urinaire
Problème fréquent, souvent passé sous silence -> Sujet tabou
Touche au moins 3 millions de personnes
2/3 ont plus de 60 ans, dont 700 000 hommes
� Problème social majeur
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15 heures aux biomatériaux – Introduction – Jeudi 22 Septembre 2011 - 22 -
Sonde JJ
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.
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15 heures aux biomatériaux – Introduction – Jeudi 22 Septembre 2011 - 23 -
PLAN
Chapitre 0 Introduction
Chapitre 0.0 Quelques exemples
Chapitre 0.1 Définitions
Chapitre 0.2 Domaines médicaux concernés
Chapitre 0.3 Différents types de matériaux
Chapitre 0.4 Différentes techniques de caractérisation
37
37. http://www.urologieversailles.org/sonde-jj.html
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15 heures aux biomatériaux – Introduction – Jeudi 22 Septembre 2011 - 24 -
Chapitre 1 Sondes – polymères Définition : Molécule de masse moléculaire élevée constituée de monomères
unis les uns aux autres par des liaisons covalentes38
.
Partie A Chapitre 1A.0 Diversité des biomatériaux
Chapitre 1A.1 Quelques définitions
Chapitre 1A.2 Critères de choix des matériaux
Chapitre 1A.3 Nature des matériaux
Les polymères, Les copolymères, Les élastomères , Les polyéthylènes
Les polychlorures de vinyle, Les polyuréthanes, Les silicones, Le Latex
Relargage de plastifiants, Détérioration d’un dispositif médical
Chapitre 1A.4 Ajouts de radio-opacifiants & additifs. Nature chimique des radioopacifiants (Baryum, Tantale, Tungstène)
Partie B La microscopie électronique à balayage Chapitre 1B.10 Les sondes urinaires JJ Chapitre 1B.11 Généralités sur les calcifications
Partie C Calcifications présentes sur une sonde urinaire Chapitre 1C.2 Présentation d’une sonde à l’hôpital Necker – Laboratoire CRISTAL
Chapitre 1C.3 Premières observations au microscope optique
Chapitre 1C.4 Généralités sur la localisation des calcifications
Chapitre 1C.5 Répartition des calcifications sur la sonde urinaires
Chapitre 1C.6 Calcifications à l’extérieur de la sonde
Chapitre 1C.7 Calcifications à l’extérieur de la sonde et sur les ouvertures latérales
Chapitre 1C.8 Nature chimique des calcifications et morphologie des cristallites.
Chapitre 1C.9 Calcifications présentes sur des défauts à la surface de la sonde
Chapitre 1C.10 La notion de Biofilm & la calcification & Empreintes de bactéries.
Chapitre 1C.11 Interaction possible entre les cristallites et la sonde urinaire
Partie D Généralités sur l’interaction photons-matière Chapitre 1D.2 la spectroscopie infra rouge
Chapitre 1D.3 Caractérisation par spectroscopie infra rouge : cas de l’apatite
Chapitre 1D.4 la spectroscopie RAMAN
Chapitre 1D.5 Caractérisation par RAMAN de calcifications à la surface de lentilles
oculaires
38. http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/chimie-2/d/polymere_803/
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15 heures aux biomatériaux – Introduction – Jeudi 22 Septembre 2011 - 25 -
Partie D Chapitre 1.D.19.1 Autres exemples
39 40
41
Chapitre 1E.19.1 Adhésion bactérienne
Chapitre 1E.19.2 Articulation Ligaments, Poignet
Chapitre 1E.19.3 Prothèses mammaires
Chapitre 1E.19.4 La chirurgie cardiaque & vasculaire
Chapitre 1E.19.5 Le Visage
39. Zieren et al., Annales de chirurgie 129 (2004) 343–346.
40. http://www.nlm.nih.gov/medlineplus/ency/presentations/100230_1.htm
41. A. Bouillot , Annales de chirurgie plastique esthétique 50 (2005) 554–559
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15 heures aux biomatériaux – Introduction – Jeudi 22 Septembre 2011 - 26 -
Chapitre 2 Prothèse en alliage à base de titane 42
Partie A Chapitre 2.1 Aspect médical
Chapitre 2.2 Métallurgie - La raideur des alliages
Chapitre 2.3 Surface d’une prothèse en titane
Partie B Diffraction des rayons X
Chapitre 2.4a Généralités
Chapitre 2.4b Aspects expérimentaux
Chapitre 2.4c Complémentarité Neutrons – Rayons X
Chapitre 2.4d Equation de Debye
Chapitre 2.4e Diffraction de nanomatériaux
Chapitre 2.4f Formule de Scherrer
Chapitre 2.4g Le cas de nanocristaux anisotropes
Chapitre 2.4h Application aux apatites
Partie C Chapitre 2.5 Revêtement d’apatite
Chapitre 2.6 Etude de la surface d’un implant réel
Chapitre 2.7 Autres applications
Chapitre 2.8 Toxicité des nanoparticules de TiO2
Partie D Prothèse Zircone ZrO2
Chapitre 2.9 Généralités & Définitions
Chapitre 2.10 Structure à l’échelle atomique
Chapitre 2.11 La transformation t-m en odontologie
Chapitre 2.12 Morphologie des cristallites
Chapitre 2.13 Coatings on ZrO2 for medical applications
Partie E Adhésion cellulaire
Chapitre 2.14 Introduction
Chapitre 2.15 Déformation
Chapitre 2.16 Mécanismes d’anti adhésion
Chapitre 2.17 Etalement d'une cellule sur une surface
Chapitre 2.18 La nature de l’interface bactérie – surface
Chapitre 2.19 Stratégies pour optimiser l’adhésion
Chapitre 2.20 Stratégies pour réduire l’adhésion
Chapitre 2.21 Quels sont les paramètres pertinents de l’adhérence
42. Dr Alain Cazenave, Institut Calot, www.orthopale.com
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15 heures aux biomatériaux – Introduction – Jeudi 22 Septembre 2011 - 27 -
PLAN Chapitre 3 Nanomédecine & Nanomatériaux
Chapitre 3A Agrégats métalliques – Agrégats d’argent Chapitre 3A.1 Introduction
Chapitre 3A.2 Morphologie des agrégats
Chapitre 3A.3 Nanoagrégats : Volume versus Surface
Chapitre 3A.4 Domaines de stabilité
Chapitre 3A.5 Morphologie & O2 adsorption
Chapitre 3A.6 Relaxation des distances interatomiques
Chapitre 3A.7 Protocole de préparation
Chapitre 3A.8 Agrégats bimétalliques
Chapitre 3A.9 Adsorption de molécules
Chapitre 3A.10 Cas de molécules diatomiques
Chapitre 3B X-Ray photoelectron spectrometry : XPS Chapitre 3B.1 Introduction
Chapitre 3B.2 Principe
Chapitre 3B.3 Relation d’Einstein
Chapitre 3B.4 Une technique de surface
Chapitre 3B.5 Le dispositif expérimental
Chapitre 3B.6 Quelques exemples d’application
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15 heures aux biomatériaux – Introduction – Jeudi 22 Septembre 2011 - 28 -
Chapitre 4 Prothèse – apatite –Ca5(PO4)3OH
43 44
Partie A Quelques généralités sur l’os Chapitre 4.1 Les différents types d’os
Chapitre 4.2 Structure à l’échelle macroscopique
Chapitre 4.3 Structure à l’échelle mésoscopique
Chapitre 4.4 Structure à l’échelle cellulaire
Chapitre 4.5 Mise en œuvre de l’apatite dans le milieu médical
Partie B Propriétés physicochimiques
Partie C Quelques études sur des échantillons biologiques
Partie D Les ciments phosphatiques Chapitre 4.21 Aspect médical
Chapitre 4.22 Généralités sur les ciments phosphocalciques
Chapitre 4.23 Quelques travaux récents sur les ciments
Chapitre 4.23A un composite apatite – polymère
Chapitre 4.23B Ajout de Zn – Toxicité à forte teneur
Chapitre 4.23C Ciments phosphatiques et ajout de nanoparticules d’argent
Partie E Quelques généralités sur le rayonnement synchrotron Chapitre 4.24 Rappel sur l’émission d’un tube à rayons X
Chapitre 4.25 Quelques généralités sur le R.S.
Chapitre 4.26 Propriétés spécifiques au R.S.
Chapitre 4.27 Brillance du R.S.
Chapitre 4.28 Descriptif du dispositif expérimental
Chapitre 4.29 Energie disponible en fonction des lignes de lumière
Chapitre 4.30 Spécification des microscopes
Chapitre 4.31 Description d’une ligne de lumière
Chapitre 4.32 Les centres de rayonnement synchrotron
Chapitre 4.33 Les applications industrielles associées
Chapitre 4.34 Les applications médicales associées
43. http://medic-is.fr/
44. http://www.synchrotron-soleil.fr/
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Chapitre 5 Bioverres
45
Chapitre 5.1 Historique
Chapitre 5.2 Propriétés générales
Chapitre 5.3 Définition du système Verre – céramique
Système Verre céramique : CaO–SiO2–P2O5–CaF2 ou HA/SiO2–CaO–MgO
Ajout d’un élément : Sr, ZnO, ZrO2, collagen
Revêtement : CaO-SiO2-PDMS Coatings on Ti6Al4V
Chapitre 5.4a : Strontium - Delivering Glasses
Chapitre 5.4b : Effect of ZnO addition on bioactive glass
Chapitre 5.4c : Glass ceramics rich in nanocrystals of ZrO2.
Chapitre 5.4d : Nanofibrillar Collagen-Bioglass Hybrid Scaffolds
Chapitre 5.5 : Presence of amorphous phasis
Chapitre 5.6 : Bioactive glass Coatings on Ti6Al4V Substrates
45
. http://www.covalent.co.jp/eng/rd/new_technologies/bio.html
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CHAPITRE 0.1 DEFINITIONS46
La conférence de Chester de la société Européenne des biomatériaux a en 1986 retenu la
définition suivante pour les biomatériaux « Matériaux non vivants utilisés dans un dispositif
médical destiné à interagir avec les systèmes biologiques ».
Autre définition proposée : « Matériau non viable, naturel ou artificiel, utilisé dans
l’élaboration de dispositifs médicaux destinés à être mis en contact avec des tissus
biologiques »
Se dégagent alors les notions de
- 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).
47
46. 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
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- 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)
Problèmes de toxicité
Métaux lourds utilisés pour le contraste en Rayons X
Nature
Etat d’oxydation : Chrome CrIV
– CrVI
47. http://www.covalent.co.jp/eng/rd/new_technologies/bio.html
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Ces trois notions « biocompatibilité », « Biointégration » et
«Relargage » nous conduisent à considérer pour le biomatériau,
Ses propriétés chimiques
Oxydation, (fixation d’atomes d’oxygène par un corps, réaction
chimique au cours de laquelle un atome perd des électrons)
Corrosion, (altération d’un matériau par réaction chimique avec
un oxydant)
Dégradation
Ses propriétés biologiques
Réactions immunitaires,
Allergiques, (L’allergie est une réaction anormale (pathologique) et
spécifique de l’organisme au contact avec une substance étrangère (allergène)
qui n’entraine pas de troubles chez un non allergique).
48
48. http://www.vulgaris-medical.com/images/dermatologie-14/allergie-au-caoutchouc-
70.html
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Définition : Toxiques, La toxicologie (du grec toxicon, poison
recouvrant les flèches, et logos, discours) est la science étudiant les substances
toxiques (ou poisons), leur étiologie (origine), les circonstances de leur contact
avec l'organisme, leurs effets sur celui-ci (organes cibles) et sur l'environnement.
Définition : Mutagène, (En biologie, un mutagène (du latin,
littéralement origine de changement) est un agent qui change le génome (en
général l'ADN) d'un organisme et élève ainsi le nombre de mutations génétiques
au-dessus du taux naturel d'arrière-plan. Les mutagènes sont en général des
composés chimiques ou des radiations. Les mutations, en dehors de celles qui
affectent les cellules reproductives, ne sont pas inoffensives. Si elles n'induisent
pas toutes des cancers, ce sont la première étape nécessaire vers la cancérisation.
Définition : Cancérigènes, Un cancérogène ou cancérigène ou
carcinogène est un facteur provoquant, aggravant ou sensibilisant l'apparition
d'un cancer. Cela peut être un produit chimique simple ou complexe, une
exposition professionnelle, des facteurs de risque liés au mode de vie ou encore
des agents physiques et biologiques.
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Les propriétés requises pour une implantation sont donc de plusieurs types49
:
- 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 les
inflammations et les phénomènes d’encapsulation qui ont lieu lorsque la
prothèse est reconnue par l’organisme comme un corps étranger.
49. http://www.cnrs.fr/inc/communication/images/images-
chimietous/minidossiers/les_materiaux_biocompatibles.pdf
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50
Cupule en polyéthylène provenant d’une PTH ayant fonctionné plus de 10 ans.
Noter d’une part l’excentration de la bille dans la cupule traduisant l’usure par
abrasion, d’autre part l’encoche formée par le col dans le rebord de la cupule.
50. http://www.med.univ-angers.fr/discipline/lab_histo/polyethylene.htm
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Evolution de la couche d’oxyde à la surface d’une prothèse au cours du temps.
L’étude des biomatériaux s’associe à des enjeux de société sociaux et économiques de
premier plan et nécessite la maitrise d’un savoir spécifique aux sciences des matériaux, à la
mécanique, à la chimie, à la biologie et bien sûr à la médecine
Ophtalmologie,
Odontologie,
Chirurgie orthopédique,
Chirurgie cardiaque,
Urologie.
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CHAPITRE 0.2 DOMAINE MEDICAUX CONCERNES
Plus précisément, voici un échantillonnage significatif des domaines médicaux
où l'usage des biomatériaux s'est révélé pertinent. Pour chaque domaine, les types
de produits nécessaires sont désignés.
OPHTAMOLOGIE
Lentilles51 (souvent exclues du domaine pour cause de brièveté du contact)
51 http://www.lissac.fr/correction-vision/secrets-fabrication.php
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Une grande diversité dans les matériaux mis en œuvre52
52. http://www.v2f.org/forum/viewtopic.php?t=1108
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Définition : implants : 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.
• coussinets de récupération
• produits visqueux de chambre postérieure
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ODONTOLOGIE – STOMATOLOGIE
• matériaux de restauration et comblement dentaire et osseux
• traitements prophylactiques
• orthodontie
• traitement du parodonte et de la pulpe
• implants : 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.
53
53 . http://www.implantdent.net/
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Implants en titane,
54 55
56
• reconstruction maxillo-faciale
54. http://www.cja-luneville.fr/spip/spip.php?page=stomatologie
55. http://www.dents-beaute-sourire.com/implants-dentaires.php
56. http://www.implant-canada.com/implants_dentaires.php
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CHIRUGIE-ORTHOPEDIQUE
Définition 1 :Orthèses : Une orthèse est un appareillage qui :
compense une fonction absente ou déficitaire,
assiste une structure articulaire ou musculaire,
stabilise un segment corporel pendant une phase de
réadaptation ou de repos.
Par opposition à la prothèse qui remplace un élément
manquant.
57
57. http://www.ar-orthopedie.com/sur_mesure.php
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Définition : 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.
58
59Pr
58. http://www.vulgaris-medical.com/images/rhumatologie-25/prothese-totale-de-hanche-
radiographie-170.html
59. http://www.prothesedegenou.com/prothese-genou.html
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Prothèse de Coude
60
61
• une prothèse trapézo-métacarpienne
62
60. http://forumed.sante-dz.org/showthread.php?t=9120
61. http://www.monpodo.com/blessures-et-diverses-pathologies/blessures-et-diverses-
pathologies.php
62. http://www.image-echographie.net/index.php?r=10&ssr=15&a=635
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• matériaux de comblement osseux injectable
63
Maillages par éléments finis de l’articulation du genou
comprenant les structures osseuses (fémur, tibia, rotule,
péroné) et les structures molles (ligaments, tendons
rotuliens, cartilages, ménisques)
ligaments et tendons artificiels
• cartilage
• remplacement osseux pour tumeur ou traumatisme
• chirurgie du rachis
63. http://ditwww.epfl.ch/SIC/SA/SPIP/Publications/spip.php?article108
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Prothèse auditive
64
Mise en place sous anesthèsie locale de la partie en titane de la
prothése auditive.
64. http://homepage.mac.com/patrickaidan/Retrox1.htm
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Cardiovasculaire
• valves cardiaques : La chirurgie valvulaire cardiaque concerne
essentiellement les valves aortique, mitrale, et plus rarement tricuspide. La
chirurgie de la valve pulmonaire est exceptionnelle.
• Matériel pour circulation extracorporelle (oxygénateurs, tubulures, pompes, ...)
• Cœur artificiel
• Assistance ventriculaire
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• Stimulateurs cardiaques65
Cet appareil sert à stimuler le rythme du cœur. Il est utilisé lorsque la
fréquence cardiaque ralentit trop. Le boîtier du stimulateur cardiaque contient
des circuits électroniques qui sont alimentés par une pile. Grâce à ces éléments,
l’appareil analyse tout au long de la journée le rythme du cœur, décèle
l’apparition d’anomalies et, lorsqu’elles surviennent, déclenche une stimulation
électrique qui détermine un battement cardiaque et empêche l’apparition
éventuelle d’une syncope. Le pacemaker n’entre ainsi en action que si le rythme
cardiaque devient inférieur à une fréquence seuil, préalablement déterminée,
souvent 60 battements par minute. Certains stimulateurs sont aussi dotés d’une
mémoire, ce qui offre la possibilité d’enregistrer les informations relatives au
fonctionnement cardiaque.
• prothèses vasculaires
65. http://fr.wikipedia.org/wiki/Stimulateur_cardiaque
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Stents 66
: Le stent est un dispositif métallique maillé et tubulaire, glissé
dans une cavité naturelle humaine pour la maintenir ouverte. Il est
essentiellement utilisé dans des artères au cours d'une angioplastie. Ils peuvent
également être employés dans l'urètre, les canaux biliaires… Il est appelé
communément « ressort ».
67 68
• cathéters endoveineux
69
66. http://fr.wikipedia.org/wiki/Stent
67. http://www.nhlbi.nih.gov/health/dci/Diseases/Angioplasty/Angioplasty_All.html
68. http://fr.wikipedia.org/wiki/Fichier:Un_stent_couvert.jpg
69. http://www.canalacademie.com/ida2236-L-invention-revolutionnaire-des.html
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UROLOGIE
• sondes JJ : La sonde JJ est une sonde qui présente à ses 2 extrémités des courbures
qui lui permettent de tenir toute seule entre les cavités rénales (extrémité supérieure) et la
vessie (extrémité inférieure) et qui est creuse en son centre permettant le passage des urines
du rein vers la vessie. C’est donc une sonde interne qui ne se voit pas à l’extérieur. Elle est
mise en place à l’occasion d’une cystoscopie en général sous anesthésie sous contrôle
radiologique ou échographique. On met ce type de sonde quand il y a un obstacle sur
l’uretère, souvent une lithiase urinaire.
70
70. http://www.urologique.fr/UROlogique/Py%C3%A9loplastie_%28jonction%29.html
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Dialyseurs71
:
La dialyse fait deux choses en même temps :
- elle enlève des déchets, c'est la DIALYSE VERITABLE
- elle enlève l'eau qui est en trop, c'est l'ULTRAFILTRATION
71. http://www.soc-nephrologie.org/pages/lenfant/pages/9_lexique3.html
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ENDOCRINOLOGIE –CHRONOTHERAPIE
• Pancréas artificiel72
: L'objectif du pancréas artificiel est de reproduire la sécrétion
physiologique de l'insuline qui est directement régulée par la glycémie, c'est-à-dire en boucle
fermée. Sa réalisation nécessite la séparation conceptuelle et dans l'espace du système d
'analyse de la glycémie (le capteur de glucose) connecté à un système de délivrance de
l'insuline (la pompe à insuline) par l'intermédiaire d'une interface capteur-pompe, capable de
déterminer précisément le débit insulinique en fonction de la glycémie.
• pompes portables et implantables
• systèmes de libération contrôlée de médicaments
• biocapteurs
72. Des pompes à insuline au pancréas artificiel : Vers un traitement auto-régulé du diabète :
From insulin pump to artificial pancreas : An autoregulated treatment for diabetes
L. Kessler, M. Pinget , Journées Françaises d'Endocrinologie Clinique, Nutrition et
Métabolisme No19, Paris , 1999, vol. 40, no 3-5 pp. 439-460
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Chirurgie esthétique
• matériaux et implants pour chirurgie esthétique
Chirurgie générale et divers
• drains de chirurgie, colles tissulaires, peau artificielle, produits
de contraste
73
Radiographie de face du genou après injection intra articulaire de produit de
contraste.
1, Fémur. 2, Tibia. 3, Fibula (Péroné). 4, Produit de contraste (couleur
blanche) dans l’articulation.
• produits pour embolisation
• produits pour radiologie interventionnelle
73. http://www.info-radiologie.ch/arthrographie.php
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Leurs champs d’application sont nombreux et l’espérance de vie
augmentant ils sont amenés à compenser des dysfonctionnements de plus en
plus nombreux. 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
Tableau : Quelques applications pour les biomatériaux
On remarque que, pour les seules prothèses de hanche, 100.000
interventions sont faites chaque année. Environ 12 % de ces prothèses devront
être reprises par une seconde opération. Parmi les quelques 12.000 personnes
concernées, 3 % ne survivront pas à cette seconde opération, soit environ 360
personnes chaque année, l'équivalent d'une catastrophe aérienne majeure. Cet
exemple replace bien les biomatériaux dans l'échelle globale, économique et
humaine, des autres classes de matériaux.
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Perspectives et position de la France
Les perspectives de ce marché sont porteuses, malgré la nécessaire
réduction des coûts de santé qui atteignent en France environ 2000 Euros par
personne et par an. Les dépenses globales de suppléance fonctionnelle doivent
être comprises entre 3 et 4 % de cette somme.
La demande croissante est portée par le vieillissement de la population,
l'accroissement de la population médicale donc de la possibilité de diffusion, les
perfectionnements de prothèses existantes, l'apparition de nouvelles
suppléances, le refus croissant chez l'homme des pays développés d'accepter la
douleur et le handicap.
A titre d'exemple, il existe des marchés encore vierges. C'est le cas du cœur
artificiel. On estime qu'une personne sur 5.000 à 10.000 en est redevable dans
les pays développés, soit plus de 60.000 dans le monde (chiffre d'affaires
potentiel 0.5 Geuro0) et 6.000 en France. C'est aussi le cas du marché des
silicones à reconquérir : 8 à 10.000 tonnes/an, 400.000 implants mammaires,
20.000 testicules et les supports de libération contrôlée de médicaments en
silicone, représentant un marché de 2,4 GEuros.
Au niveau de la recherche, la France est dotée d'un très fort potentiel de
compétences, notamment avec ses grands organismes, ses chercheurs
professionnels et l'implication de ces derniers en milieu universitaire.
Applications Population concernée Exemple de prix
Lentilles de contact 1 200 000 100 euros/ Six mois
Implants oculaires 140 000 1000 euros
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
Tableau : le cout des biomatériaux
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CHAPITRE 0.3 DIFFERENTS TYPES DE MATERIAUX
Dans ce cours, nous allons aborder différents types de matériaux mis en œuvre dans
l’élaboration de dispositifs médicaux.
Les alliages métalliques
Les céramiques
Les polymères
Les matériaux d'origine naturelle
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LES ALLIAGES
Les aciers austénitiques
Les alliages Cobalt-Chrome
Les alliages de titane
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Les aciers austénitiques
- les aciers austénitiques (Fer allié à une quantité de carbone comprise entre 0,05
et 2 %, de densité 7,85, obtenu par affinage de la fonte (abaissement de la teneur en carbone).
Il possède de bonnes caractéristiques mécaniques (résistance à la traction allant de 200 à 2
000 MPa) mais est sensible à la corrosion par oxydation.)
Figure : Prothèse de hanche en acier74
74. http://www.wichard.com/images/design/montage_medical.jpg
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Les alliages Cobalt-Chrome75
Les alliages Cobalt-Chrome. Principalement utilisés en chirurgie cardiovasculaire et
orthopédique. Une teneur en Cr voisine de 25-30% confère à l’alliage une bonne résistance à
la corrosion du fait de la formation d’une couche d’oxyde stable Cr2O3. Notons que
l’arrachement de particules dans des zones de frottement a été observé. Ces particules
contenaient des ions toxiques Cr6+
et Co2+
susceptible d’induire un relâchement des tissus
entourant la prothèse.
- Les alliages à base de Nickel. Peu employés désormais en raison d’une possible
corrosion fissurante. Notons leur intérêt dans le cas de certains alliages NiTi à mémoire de
forme.
- Certains métaux nobles (Au, Ag) utilisés en orthodontie,
75. http://www.idiartec.com/photos/550/prothesedehancheentitaneteteamovibleenchromecobalt.jpg
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Les alliages de titane76
Le Titane possède, entre autres, une excellente biocompatibilité avec les
tissus humains et présente une bonne résistance à la fatigue. Cela en fait un
matériau de choix largement employé dans ce domaine.
Les nuances principalement utilisées sont :
celles dites "commercialement pures" (CP) :
- Grade 1, Grade 2, Grade 3 et Grade 4, livrées sous double certification: ASTM
celles dites "alliées" :
-Ti 6Al 4V ELI (Extra Low Interstitial), livrées sous double certification ASTM
F136 et ISO 5832-3
-Ti 6Al 7Nb, livrées sous double certification ASTM F1295 et ISO 5832-11
76. http://www.acnis-titanium.com/medical.htm
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LES CERAMIQUES
- Les céramiques dites bioinertes comme l’alumine (Al2O3) ou la zircone (ZrO2)
qui présentent des propriétés mécaniques intéressantes en compression.
Alumine77
L'utilisation du couple alumine-alumine dans les prothèses totales de hanche devient de
plus en plus populaire. Boutin en France fut le premier à introduire le couple alumine-alumine
dans les années 1970. Depuis, plus de 100 000 prothèses alumine-alumine ont été implantées
dans le monde, et on peut considérer que la résistance à l'usure de l'alumine est maintenant
bien établie. Cependant, plusieurs études, la plupart déjà anciennes, ont émis de sérieux
doutes sur l'utilisation d'un tel matériau dans les PTH, en insistant sur le risque de fracture des
implants, de descellements cotyloidiens, voir même d'ostéolyse.
Les raisons de cette méfiance sont multiples, et incluent des grandes variations dans
la qualité intrinsèque du matériau, un dessin et une conception des implants inadaptés,
mais aussi un manque d'informations concernant les différents points clés de technique
chirurgicale. A travers une expérience de 25 ans, nous rapportons l'évolution de la qualité du
matériau et du dessin des implants, et exposerons les différents points de technique
chirurgicale qui nous paraissent essentiels pour obtenir un résultat fiable et durable.
77. http://www.maitrise-orthop.com/corpusmaitri/orthopaedic/111_bizot/bizot.shtml
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Zircone78
Les têtes fémorales en céramique sont utilisées dans les prothèses totales de hanche
depuis les années 1970 pour résoudre le problème de l'usure du polyéthylène. Les études
cliniques ont confirmé les avantages des têtes fémorales en céramique en ce qui concerne
l'usure du polyéthylène et le descellement aseptique des prothèses. Cependant, les résultats
cliniques ont également montré que les fractures des têtes céramiques constituaient un
problème majeur. Pour réduire ce risque, la céramique de zircone a été introduite depuis 1985.
Cependant, aucune analyse du taux de fracture des têtes fémorales en zircone n'a été publiée à
ce jour. C'est l'objectif de ce travail, qui a été focalisé sur des têtes fémorales en zircone
commerciales et qui a comparé les résultats observés avec les données publiées sur les
fractures des têtes en alumine. La plupart des fractures de têtes zircone observées sont liées à
des conditions d'utilisation anormales. Le taux de fracture des têtes zircone est nettement
inférieur à celui qui est observé pour les têtes alumine.
78. Fractures des têtes de prothèses de hanche en Zircone, B. Cales ,le journal français de
l'orthopédie
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- Les céramiques dites bioactives (conçue pour engendrer ou moduler une activité
biologique) dont la composition chimique se rapproche des calcifications physiologiques
comme l’os. Ainsi, les céramiques d’hydroxyapatites (Ca5(PO4)3OH et de phosphate
tricalcique Ca3(PO4)2 sont principalement utilisés comme revêtement.
Apatite79
Le principe des revêtements de surface ostéoconducteurs des prothèses est apparu en
1986: on projette (par une torche à plasma) une fine couche (150 microns en moyenne)
d'hydroxyapatite qui vient se fixer à la surface des prothèses. L'hydroxyapatite est un
composant minéral de l'os qui peut être fabriqué chimiquement. L'os voisin identifie
l'hydroxyapatite comme un de ses constituants et repousse rapidement sur le revêtement de la
prothèse.
Avec un recul supérieur à dix ans, les revêtements ostéoconducteurs apparaissent
comme le meilleur procédé de fixation des prothèses de hanche, aussi bien au niveau du
fémur qu'au niveau du cotyle. Actuellement, le consensus est fait d’une coquille métallique,
fixée par encastrement modéré, des vis, et comportant un revêtement ostéoconducteur.
79.http://www.prothese-hanche.info/informations_medicales/fixation_des_protheses_de_hanche.html
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DES POLYMERES
Sonde JJ80
.
80. http://www.urologieversailles.org/sonde-jj.html
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LES MATERIAUX 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 bœuf, veine ombilicale, ...), le sulfate de chondroitine et l'acide
hyaluronique, on trouve parmi ceux-ci :
• 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) ;
• 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 (d'interrompre le saignement),
- il a certaines propriétés mécaniques qui permettent de le manipuler,
- il est indispensable au développement cellulaire,
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Il apparait indispensable de préciser dans ses grandes lignes le contexte
médical associé puisque il va définir les caractéristiques de l’implant.
81
Ainsi, dans le cas de la prothèse, ce contexte impose non seulement la
forme de l’implant mais aussi sa raideur définie comme le produit du moment
d’inertie I et du module d’Young E (notons que la valeur du moment d’inertie I
est liée à la morphologie de l’implant) ou encore la composition de la surface.
82
Prothèses mammaires – Suite à un cancer, leur matériau ne doit pas
interférer avec une radiothérapie. On se doit donc de limiter sa radioopacité
81. Dr Alain Cazenave, Institut Calot, www.orthopale.com
82. A. Bouillot , Annales de chirurgie plastique esthétique 50 (2005) 554–559
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Chapitre 0.3 Différentes Techniques de caractérisation
Techniques d’imagerie à l’échelle mésoscopique et nanométrique
La microscopie électronique à balayage
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Analyse élémentaire de l’échantillon par fluorescence X
Mise en évidence d’éléments lourds utilisés dans les prothèses :
toxicité Cd, Ti…, dans le traitement de la pathologie Pt, I, Sr, Ga
5 10 15E/KeV
CaZn Sr
Pb
Br
Flu
ore
scen
ce e
mis
sion
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Composition chimique et taille des cristaux
La diffraction des Rayons X & diffraction neutronique (grands instruments)
10 20 30 40 50 60 70 80 90
High temperaturecalcinated stoichiometric synthetichydroxyapatites
nanocrystallineapatites
(hkl=002)
(°)
Neu
tro
n d
iffr
acti
on
in
ten
sity
(a.
u.)
83
84
83. D. Bazin et al., Osteoporos Int (2009) 20:1065–1075
84. http://www.etudes.ecp.fr/physique/illustrations/diffraction/animsite.htm
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Composition chimique : La spectroscopie I.R. & Raman – très faible quantité
d’échantillon
85
85. M. Banu, Thèse « Mise en forme d’apatites nanocrystallines : céramiques et ciments. « N°
d’ordre : 2228, Ecole doctorale : Matériaux-Structures-Mécanique, Spécialité : Science et
Génie des Matériaux juin 2005.
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86
87
86. D. Bazin et al., Osteoporos Int (2009) 20:1065–1075
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Grands instruments : Diffraction neutronique & spectroscopie d’absorption X
88
Cette technique est capable de distinguer entre CrIV & CrVI.
89
87 http://www.directindustry.fr/prod/thermo-scientific-scientific-instruments/spectrometre-
raman-7217-56691.html
88. D. Bazin et al., Osteoporos Int (2009) 20:1065–1075
89. http://www.synchrotron-soleil.fr/