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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]



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




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



Caractérisation multi-échelle : depuis l’atome, puis la cellule, à l’organe


caractérisation

Médecine

Biomatériaux


Les céramiques

Les polymères


Ophtalmologie,

Odontologie,



Urologie.





Synchrotron



Sonde urinaire

Prothèse de hanche

Ciments

Agents de contraste




caractérisation

Médecine

Biomatériaux


Les céramiques

Les polymères


Ophtalmologie,

Odontologie,



Urologie.





Synchrotron



Sonde urinaire

Prothèse de hanche

Ciments

Agents de contraste



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.



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



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

http://fr.wikipedia.org/wiki/Dispositif_m%C3%A9dical

http://fr.wikipedia.org/wiki/Cavit%C3%A9s_du_corps_humain

http://fr.wikipedia.org/wiki/Vaisseau_sanguin

http://fr.wikipedia.org/wiki/Vaisseau_sanguin

http://fr.wikipedia.org/wiki/Cath%C3%A9t%C3%A9risme



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.



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).



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



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



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



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

http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/medecine-2/d/insuline_173/

http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/medecine-2/d/glycemie_740/

http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/medecine-2/d/hormone_751/

http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/informatique-3/d/ordinateur_586/

http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/medecine-2/d/diabete_3242/



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



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



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



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/

http://encyclo.voila.fr/cgi-bin/frame?str=veda&ft=0&fd=0&fm=0&fa=0

http://www.hindunet.org/vedas/rigveda/



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



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/

http://sante-az.aufeminin.com/w/sante/s699/maladies/prothese-du-genou.html

http://sante-az.aufeminin.com/w/sante/s655/maladies/operations.html

http://sante-az.aufeminin.com/w/sante/s627/maladies/voyager-en-europe-centrale.html

http://www.frost.com/

http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/medecine-2/d/prothese_2824/

http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/medecine-2/d/silicone_2847/

http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/physique-2/d/ablation_2067/



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



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.



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




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/



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



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



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



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/



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



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



- 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



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



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.



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



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



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,



Urologie.



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



Une grande diversité dans les matériaux mis en œuvre52

52. http://www.v2f.org/forum/viewtopic.php?t=1108



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



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/



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



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



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



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



• 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



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



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



• 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



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



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



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



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



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



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.



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



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 céramiques

Les polymères




LES ALLIAGES

Les aciers austénitiques

Les alliages Cobalt-Chrome

Les alliages de titane



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



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



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



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



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



- 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



DES POLYMERES

Sonde JJ80

.




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,



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



Chapitre 0.3 Différentes Techniques de caractérisation

Techniques d’imagerie à l’échelle mésoscopique et nanométrique




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



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



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.



86

87




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


89. http://www.synchrotron-soleil.fr/