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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.