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biotechnologie

Biomatériaux

21 Octobre 2014 , Rédigé par Mr Magniez Publié dans #biotechnologies

Définition:

Tout matériau, naturel ou non, comprenant tout ou partie d'une structure vivante ou d'un appareil biomédical qui exécute ou remplace une fonction naturelle.

Histoire:

  • Van Meek’ren (1668): xénogreffe de voûte crânienne à partir d’un crâne de chien
  • Autogreffe en 1810 par Van Merren
  • Allogreffe: problème de conservation (Ollier 1867)

Les matériaux naturels:

  • Une AUTOGREFFE : greffe des propres tissus d’un individu à lui-même.

Les sites de prélèvement sont l'os iliaque, le ramus, la zone rétromolaire et l'os pariétal.

La résorption du greffon peut être faible à importante, voire totale : l'origine embryologique et le mode d’ossification du site de prélèvement sont prépondérants.

Le taux de réussite de ce type de greffe est maximal, étant donné que le complexe majeur d'histocompatibilité (CMH) du donneur et du receveur est le même. Aucune réaction immunitaire n'est déclenchée.

 

  • Une XENOGREFFE : greffe des tissus d’un individu à un autre d’une autre espèce.

Le porc est l'un des meilleurs animaux donneurs d'organes pour l'humain, en raison notamment de sa disponibilité et de la taille de ses organes mais nous pouvons également utiliser comme donneurs le corail, la seiche et les mammifères (cheval, vache, cochon, mouton).

Leur indication réside dans les zones soumises à des contraintes (propriétés mécaniques intéressantes), mais non utilisables pour les grandes pertes de substance.

Le risque de transmission (virus, prions) est faible, mais non nul. Les traitements consistent en l’élimination des débris cellulaires, la déproténéisation, la délipidation, l’inactivation des virus et des prions, une stérilisation par irradiation.

Cette technique est encore expérimentale pour les organes et les cellules. Elle est appelée à se développer en raison de la pénurie d'organes humains pour les allogreffes. Elles est en concurrence avec d'autres voies de recherche qui sont la substitution mécanique des organes déffaillants («coeur artificiel») et les cellules souches.

 

Dans les xénogreffes, nous pouvons cité les exemples suivants:

 l'hydroxyapatite biologique:

Ce sont des xénogreffes céramisées à très haute température et transformées en hydroxyapatites biologiques, minéral constitutif de l’os.

Exemple d'application:

L'hydroxyapatite biologique (HA) a été obtenue à partir d'arêtes de poissons, disponibles en tant que coproduits de la pêche. Des arêtes d'espadon et de thon ont été nettoyées et soumises à un traitement thermique. Le matériau obtenu à 600°C est une HA des type B et à 950°C un matériau biphasique (HA biologique/ß-TCP ratio 87/13). Des tests in vitro ont montré que les matériaux obtenus ne sont pas cytotoxiques.Ces biomatériaux peuvent servir d'implants en chirurgie osseuse et dentaire, et   contrairement à l'apatite synthétique ils renferment du magnésium et du strontium, ce qui est bénéfique pour les applications médicales.

 

les carbonates de calcium:

Origines : corail, nacre, seiche.

1976: Patat et Guillemin

Le corail naturel est purifié (élimination de la matrice organique) et stérilisé (rayons ionisants β). Ce matériau correspond à un carbonate de calcium, de formule CaCO3, cristallisé sous forme d’aragonite. Différentes espèces sont utilisées selon leurs caractéristiques structurales et les indications cliniques : le corail Porites lutea est préconisé en Odontologie.

D’une porosité de 100 à 200 microns, similaire à celles de l’os spongieux, le carbonate de calcium est biocompatible et résorbable.

La cinétique de résorption dépend de l’espèce, du site d’implantation, du volume, de la taille et du volume des pores. Le processus est lié à l’action des cellules et des ostéoclastes, ainsi qu’à l’action des fluides interstitiels (dissolution de surface).

Son rôle mécanique de soutien lui confére des utilisations multiples (fractures, rachis …). On note un problème de tolérance locale si non-céramisé.

 

  • Une ALLOGREFFE : greffe des tissus d’un individu à un autre d’une même espèce.

Etant deux individus distincts, donneur et receveur possèdent des complexes majeurs d'histocompatibilité (CMH) différents. Dans ces cas, la greffe s'accompagne d'un traitement immunosuppresseur visant à prévenir une des complications majeures de la greffe: "le rejet". Plus les CMH sont ressemblants, plus la greffe a des chances de réussite.

Inconvénients :

transmission possibles : pathologies bactérienne ou virales (VIH, hépatite)

altération de l’ostéo-induction par stérilisation (rayons gamma)

réaction immunitaire, même si le greffon est irradié

ostéo-conduction aléatoire au sein du greffon.

 

Les matériaux synthétiques:

 

Les matériaux utilisés peuvent être :

  • Les aciers inoxydables; le titane; les alliages (cobalt; chrome; molybdène; tantale)

  • Les céramiques (des oxydes, des sulfures, des borures, des nitrures, des carbures, des composés intermétalliques, ...)

  • Les polymères.

  • Les ACIERS:

​​

Ils sont utilisés quand les volumes à traiter sont importants. Ce matériau est utilisé principalement en chirurgie orthopédique, pour réaliser des implants dentaires ou dans des stimulateurs cardiaques.

Les avantages:

la bonne adhérence du titane à l'os. 

 

Les problèmes:

  • La corrosion électrochimique et durabilité
  • Le mécanisme de dégradation non électrochimique
  • La réaction immunitaire d'hypersensibilité
  • L'adaptation des propriétés mécaniques
  • Les propriétés de frottement et les problèmes de débris

  • Les CERAMIQUES:

Dans le domaine des biomatériaux, on rencontre l'alumine (oxyde d'aluminium Al2O3) et la zircone (dioxyde de zirconium ZrO2) utilisées dans les têtes de prothèses de hanche et en odontologie (implants dentaires), l'hydroxyapatite (HAP de formule chimique: Ca5(PO4)3(OH)) et le phosphate tricalcique (TCPde formule chimique Ca3(PO4)).

Les subtituts osseux en hydroapatite sont apparus en 1980 tandis que ceux de phosphate tricalcique Beta sont apparus en 1982.

L'hydroxyapatite est un constituant essentiel de l'os et ne se résorbe que très lentement. Ils sont ostéophiles, ostéoconducteurs, non résorbables et biocompatibles. Il existe des hydroxyapatites poreuses ou denses.

Phosphate tricalcique : α TCP - β TCP

Forme poreuse du phosphate de calcium. Généralement encapsulé par du tissu conjonctif, le phosphate tricalcique ne stimule pas la croissance osseuse. La forme la plus utilisée en odontologie est la forme β TCP.

Nous pouvons donner l'exemple des produits cyclOS(R), Ceros(R) élaborés par la société Mathys Bettlach SA. Ces implants sont constitués de phosphate tricalcique Beta, ce qui les rendent biocompatibles et sont entierement transformés en tissus osseux au bout de 6 à 8 mois. Ces implants sont utilisés sur  de l'os spongieux et non dans des zones portantes

Les céramiques biphasées associent l'hydroxyapatite Ca(OH)2 et le β TCP Ca3(PO4)2. Le rapport entre hydroxyapatite et le β TCP est variable selon les fabricants.

 

  • Les POLYMERES:

Ciments acryliques

Ils sont élaborées à partir de polyméthylmétacrylate (PMMA) et de

polyhydroxyéthylméthacrylate (PHEMA) associés à de l’hydroxyde de calcium Ca(OH)2.

Ils sont ostéoconducteurs, ostéophiles et hydrophiles.

Les applications:

  • comblement des cavités de curetage de tumeurs
  • fractures pathologiques
  • ciment gentalliné pour combler une perte de substance infectée:(solution d’attente).

 

Polyesters aliphatiques

Ils sont dérivés des acides lactiques et /ou glycériques.

 

Les bioverres

Ces silicates (M2O. x SiO2 avec M : Na, K, Li…) peuvent contenir différents oxydes : Na2O,

CaO, K2O, P2O5… En faisant varier les proportions, peuvent être produits des bioverres

résorbables ou non.

Très ostéophiles (ostéo-conducteurs), ils induisent une formation osseuse rapide et réalisent

une barrière retardant la migration épithéliale. Les bioverres présentent une résistance

mécanique beaucoup plus importante que l’hydroxyde de calcium ou le phosphate de

calcium. Une double couche de gel de silicate et de phosphate de calcium se forme à la

surface quand ils sont exposés aux fluides biologiques.​

 

Le sulfate de calcium

C’est le plus ancien des substituts osseux. La première utilisation en 1862 par Dreesman.

Le sulfate de calcium hémihydraté, de formule CaSO4, correspond au “plâtre de Paris”.

Inorganique, ce matériau, non-poreux, se caractérise par une bonne résorbabilité (1 à 2 mois) et présente la possibilité d’inclure des antibiotiques.

Il ne possède pas d’activité ostéo-conductrice et présente une faible résistance mécanique.

 

 

 

Une HYDROXYAPATITE BIOLOGIQUE:

 

Ce sont des xénogreffes céramisées à très haute température et transformées en hydroxyapatites biologiques, minéral constitutif de l’os.

Exemple d'application:

L'hydroxyapatite biologique (HA) a été obtenue à partir d'arêtes de poissons, disponibles en tant que coproduits de la pêche. Des arêtes d'espadon et de thon ont été nettoyées et soumises à un traitement thermique. Le matériau obtenu à 600°C est une HA des type B et à 950°C un matériau biphasique (HA biologique/ß-TCP ratio 87/13). Des tests in vitro ont montré que les matériaux obtenus ne sont pas cytotoxiques.Ces biomatériaux peuvent servir d'implants en chirurgie osseuse et dentaire, et   contrairement à l'apatite synthétique ils renferment du magnésium et du strontium, ce qui est bénéfique pour les applications médicales.

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