Problèmes généraux de

revêtements biocompatibles

H. Keppner

A.Hogg, T. Aellen, S.Uhl, B. Graf

J. Burger

1

Table de matières

• Introduction

– Objectifs

– Historique

• Réponses aux corps étrangers

– Interactions patient - dispositif

– Mécanismes de défaillance de couches minces

– Revêtements biocompatibles

• Couches minces

– Pin-holes

• Couches en polymère

– Swelling

– Fouling

• Conclusion et perspectives

Introduction

Objectifs globaux:de plus en plus de personnes

de plus en plus âgées :

prolongation de l’espérance de vie

“smart implants”1. Pyramide des âges

2. Prothèses

4. Organes artificiels sauver des vies

indépendance de dons d’organes

5. Esthétique

rétablir des fonctions, qualité

de vie

correction

3. Implants rétablir des fonctions, qualité

de vie, sauver des vies

année Historique:

30000

A.D

Grandes blessures: cautérisations et sutures

1959 W.M. Chardack: Pacemaker (transistor)

7000 A.D Kennwick man, pointe de flèche dans la hanche

1969 Denton Cooley: coeur artificiel

600 A.D Mayas: Implants dentaires en nacre 1969 Starr-Edwards: valve cardiaque

200 A.D Implant dentaire en fer 1978 Andreas Grunzig: Stents

1508 Da Vinci: concept de la lentille contact 1960 Biomaterials dessinés

1829 H. S. Levert: in vivo bio-réactivité 1954 Mc Gregor: silicones

1886 Fixation d’os: vis avec revêtement de Nickel

1959 Polyurethanes (Biomer)

1926 M. Large: 18-8 + Mo 1960 Wichterle + Lim: Hydrogels (HEMA)

1940 polymères (cellophane, nylon etc.) 1977 Abuchowsky: PEG-chaines s’attachentaux enzymes et aux protéines

1947 Cotton: alliages en Titane 1971 Cutright: Poly(lactic-glycol acid) biodégradable

1949 Harold Ridley: lentille interoculaire 1969 Levit et al: Hydroxyapatite pour l’os

1958 John Charnley: Téflon dans prothèse de hanche

1969 Ted Granlee: Bioglass

Source: biomaterials science, Elsevier academic press ISBN-13: 978-0-12-582463-7

Réponses aux corps étrangers

Réactions bio – chimiques

La substance (solide, liquide, gaz) introduite dans le corps interagit avec

l’environnement cellulaire et peut se comporter comme suit :

Classification:

passive

active 1: effet curatif: médicament

active 2: effet toxique: poison

Paracelsus: « tout est toxique, c’est une question de dose »

Menace potentielle :

Le liquide du corps fait une réaction chimique avec le corps étranger résultant en

un produit toxique.

Interactions patient

dispositif

thrombose

infection

guérison inapproprié

dégradation du matériel interaction du

tissu local adverse

migration

effets systématiques

Mécanismes principaux de défaillance biomédicale de couches minces

Mécanique:

fracture

fissuration

lubrification

Physico-chimique:absorption de biomatériaux

(fouling)

absorption de H2O ou lipides

dissolution

Biochimie:

oxydation

réduction

Electrochimie:

corrosion

Exemple

Codman

Pressure Sensor

thermal process

Codman

Flow Sensor

Packaging parfait, par contre volumineux

Les revêtements biocompatibles

Lien entre deux disciplines:

Médecine Science des

couches minces

« Packaging in harsh environnement »

On parle de « barrières »

Vision:

Proprietés demandées

Couches

passives

Couches

actives

optic mechanic chemical Bio

medical

Electro-

magnetic

thermic interfaceing

decorative tribology reactive Bio-

compatible

Screening-

shielding

insulating SOLID

antireflective hard protection Anti-biofilm

Anti fouling

Skin effect conducting barriers

diffusing adhesion bimorph

Diffusion

barrier

Diffusion

barriers

Diffusion

barriers

wetting

photovoltaic Form

memory

catalytic Cell

growing

layers

Electro-

wetting

Thermo-

electric

Photo-

catalytic

Piezo-

electric

fluorescence

Couches minces

Potentiel immense !!!!

Mots clés pour les exigences pour les couches minces sur

les implants (longue durée)

• Fonctionnalité: absorption de protéines (greffage)

• Matériaux bio-spécifiques

• Non-fouling

• Guérir et répondre au corps étranger

• Retrait de l’implant contrôlé

• Ingénierie de tissu

• Médecine régénérative

Modes d’applications de revêtements sur substrats

conformal directive epitaxial

substrate-induced

self-organizing

non surface induced

compressive tensile

Site-induced

Inhibition

Pin-hole

Intrinsic

Site-induced

Inhibition

Pin-hole

extrinsic

Site-induced

nucleation

Pin-hole

intrinsic

Site-induced

nucleation

Pin-hole

extrinsic

Les modes d’applications dépendent du processus de revêtement

E-

beam

sputtering CVD Electro-

plating

PECVD SOL-GEL

Process control 0 + + 0 + + + +

Purity of the layer + + + + + 0 0

Deposition rate ++ + 0 ++ + 0

Risk of substrate damage ++ - + + + + + +

Conservation of stochiometry - + possible - possible +

Applied in industry

(production)

- + + + ++ + + +

Applied in research

(prototyping)

+ + + 0 + - -

Ingot utilization - - 0 0 + 0 +

Directionality - - + - - - - +

Shielding by masking + + 0 - - -- - - -

Conformity - - 0 + + + + +

Résumé concernant les revêtements et conclusion

Prérequis pour des revêtements biocompatibles: pas de « pin-holes » et une haute densité

Effets d’absence de revêtement

implant

revêtementDissioc. 1

Dissioc. 2

+

+

Potentiellement toxique

Potentiellement toxique

implant

revêtement

Couche de passivation+

Absence de revêtement minimal: le « pin-hole »

pression électro-osmotique et corrosion

Bruus, H. (2007). Theoretical Microfluidics. ISBN 0199235090

Kirby, B.J. (2010)Micro- and Nanoscale Fluid Mechanics: Transport in

Microfluidic Devices: Chapter 6: Electroosmosis. Cambridge University Press.

Impl

ant

Pin-hole

Potentiel du

liquide

Potentiel entre objet

métallique et liquide (série de tension)

Revêtement isolant

Exemple

Oxydation induite en présence d’ions de métal

Courty et al. Medical applications of implantable polyurethanes: current issues;

Prog. Rubber Plastics Tech 3(4); pp 24-37

Possibilités pour éviter des pin-holes

1. Choix des revêtements à faible tendance pour formation de pin-holes

2. Isolant semiconducteurs: Si3N4, a-Si:H, par PECVD

3. Dépôts électrochimiques (si possible) résultant en couches isolantes et

« auto-fermeture » des sites (pin-holes) en contact galvanique avec l’objet

à revêtir

4. Dépôt de couches épaisses par sol-gel

5. Combinaison de couches

6. ALD (atomic layer déposition)

7. Polymères en couches minces (Parylène, présentation suivante) ou

polymères en massif (coulage, spinning, dépôt par phase vapeur).

Les revêtements en polymères sont intéressants mais il y a réaction de dégradation possible

(les aspects de la bio- dégradabilité ne sont pas considérés)

Menace du packaging biocompatible par des polymères

Physique chimique

sorption Thermolyse

swelling Coupure de radicaux, dépolymérisation

softening Oxidation

dissolution Chimique, thermique (stérilisation)

minéralisation Solvolyse

extraction Hydrolyse, alcoolyse, aminolyse

cristallisation Photolyse

décristallisation Visible, UV

Fissures (contraintes) Radiolyse

Fissures (fatigue) Rayons X, faisceau d’électrons g-stérilisation

Fracture (impact) Réaction radical induit par fracture

Densité des polymères réduite: donc étanchéité réduite par rapport aux céramiques ou métaux

Swelling et Hydrolysis

« Swelling » est la pénétration des molécules H2O dans l’espace entre les

chaines d’un polymère: augmentation de volume et la présence de H2O

partout dans le tissu du polymère.

Polymères hydrolyzables: Polymères stables à l’ hydrolyse

Uréthanes, Urea Carbonates Hydrocarbon

Amides, Esters, Thioesters Polyethylène, Polypropylène Polystyrene

Imides, Anhydrides Halocarbone

Acetales, Hemiacetales Polytetrafluoroethylene

Nitriles Polychlorotrifluoroethylene

Phosphonates Polyvinylidine chloride

Sulphonamides ou sulfonates Poly (vinylidene fluoride)

Polycyanocrylates Dimethylsiloxane

Sulfones

Scénarios typiques:

Not biocompatible

implant

pinholedélaminage

Packaging

layer

(biocompatible) substrate

Biocompatible

implant

cavernes: risque de fouling

Fouling

Bio-fouling:

L’accumulation non désirée de micro-organismes, plantes, algues ou animaux sur

des surfaces mouillées. L’installation des organismes est favorable sur des sites

faiblement purgés.

En cas de création de structures solides on parle de Biofilm

(ex.: plaque dentaire etc.)

Les organismes peuvent endommager les revêtements des implants

(libération des substances réactives, toxines etc.)

Les organismes peuvent être réduits:

i) par des biocides

ii) par des nano-particules en Ag appliquées par sonochimie*.

Ronen Gottesman, Sourabh Shukla, Nina Perkas, Leonid A. Solovyov, Yeshayahu Nitzan, and Aharon

Gedanken, Sonochemical Coating of Paper by Microbiocidal Silver Nanoparticles; Langmuir 2011, 27(2),

720–726, DOI: 10.1021/la103401z

Conclusion, perspectives

• Des revêtements en couches minces des implants permettent l’application de

multiples fonctionnalités pour des implants.

• Des barrières biocompatibles en couches minces permettent de réduire le volume

de l’implant au minimum.

• Toutes les couches minces connues montrent des mécanismes de défaillance et

demandent toujours des solutions surtout dans le domaine des implants

« permanentes »

• La combinaison de différentes fonctionnalités permet de « dessiner » des solutions.