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Présentation générale des biomatériaux
En grandes lignes, les biomatériaux peuvent être définis comme matériaux synthétiques créés pour accomplir une certaine activité biologique. Un bio-matériel peut être décrit comme une combinaison de substances issues des matériaux naturels, inorganiques ou organiques, qui est biocompatible et il se trouve en contact partiel ou total avec l’organisme humain pendant la période de sa guérison. Les biomatériaux peuvent faire partie partiellement ou intégralement d’un dispositif médical créé pour l’effectuation, l’amélioration ou le remplacement d’une fonction naturelle de l’organisme humain. Dans l’année 1987, D.F. Williams a défini les biomatériaux comme étant « des matériaux non-viables utilisés dans des dispositifs médicaux, destinés pour interagir avec les systèmes biologiques ». Cette définition a été ultérieurement apprise par les experts du domaine. La science de biomatériaux s’adresse à la fois aux processus de diagnostic, et aussi aux méthodes thérapeutiques. En incluant à la fois des renseignements du domaine de la biologie, de la physique, de la chimie, et aussi du domaine de génie et celui médical, la science des biomatériaux doit parcourir certaines étapes pour la facilitation de l’utilisation clinique des biomatériaux. Les plus importantes étapes qui devraient être parcourues pour que les biomatériaux soient intégrés dans les dispositifs médicaux sont conception et création des biomatériaux ; test in vitro ; test in vivo sur les animaux et puis sur les gens ν l’approbation pour l’utilisation clinique ; la production, le développement et la commercialisation industrielle des biomatériaux.
Biomatériaux céramiques
Les matériaux céramiques sont des sources importantes pour les biomatériaux utilisés dans des différentes applications du génie biomédical. Les matériaux céramiques destinés d’être en contact avec les tissus vivants s’appellent des matériaux biocéramiques. Les études réalisées pendant les 50 dernières années ont conduit à leur développement continu. Les nécessités médicales d’une population de plus en plus âgée ont déterminé la concentration de l’attention des scientifiques du monde entier sur la création de nouveaux matériaux destinés pour l’amélioration de la vie des patients.
Les principaux objectifs de l’utilisation des matériaux biocéramiques sont de diminuer la douleur et de ré-établir les fonctions des tissus osseux ou dentaires calcifiés, malades ou détériorés. Les os sont vulnérables aux fractures, en spécial dans le cas des personnes âgées grâce à la perte de la densité et de la résistance osseuse une fois avec l’avancement à l’âge. Cette chose représente un problème majeur spécialement dans le cas des femmes à cause des modifications hormonales survenues après l’installation de la ménopause. L’une des plus grandes provocations de l’orthopédie moderne est celle de remplacer le tissu osseux âgé et détérioré avec un matériel capable à accomplir les fonctions du tissu original et qui, de manière idéale, soit graduellement remplacé avec un nouveau tissu osseux naturel obtenu suite au processus de régénération initié par l’organisme humain. En conséquence, l’une des caractéristiques communes de tous les biocéramiques est la réactivité des surfaces. Elle influence la capacité de la formation des liaisons avec le tissu osseux adjacent et contribue à la formation d’un nouveau tissu osseux. Pendant l’implémentation, ils ont lieu des différentes interactions à l’interface matériel biocéramique / tissu qui détermine des modifications dépendantes de temps des caractéristiques des surfaces des matériaux biocéramiques implantés, et aussi des tissus biologiques adjacents.
Biocéramiques sur base de phosphate de calcium
Les études existantes jusqu’à ce jour ont montré que les matériaux biocéramiques sur base de phosphate de calcium sont les plus utilisés pour le traitement des défauts et des lésions des tissus biologiques dures. Ce sont les matériaux biocéramiques sur base de phosphate de calcium. Les phosphates de calcium représentent une famille de minéraux formée d’une combinaison d’ions de calcium (Ca2+) et ortophosphates (PO43-), métaphosphates ou pyrophosphates (P2O74-). Les phosphates de calcium sont rencontrés à la fois dans les systèmes biologiques et aussi dans la nature, dans l’environnement. Grâce à la similarité chimique avec la composante minérale du tissu humain dure (os et dents), les phosphates de calcium ont été utilisés pour la reconstruction et la réparation des lésions ou des défauts osseux produits suite à certains accidents ou qui ont apparu suite à certaines maladies .
Le premier implant où il a été utilisé un matériel biocéramique sur base de phosphate de calcium synthétique a été réalisé au début du 20ème siècle, dans l’année 1920, quand il a été testé l’effet stimulateur sur l’ostéogenèse. Le matériel biocéramique sur base de phosphate tricalcique (TCP) a été utilisé pour le traitement de certains défauts osseux créés en préalable à voie chirurgicale aux lapins. Plus tard, après encore une moitié de siècle, les matériaux sur base de phosphate de calcium ont été utilisés dans les diverses recherches réalisées dans le domaine de la chirurgie parodontale, étant rapportés les premiers résultats de l’implantation de certains cylindres d’hydroxyapatite comme remplaçants des racines des dents. Ultérieurement, dans les années 1980, l’utilisation des phosphates de calcium dans les applications cliniques a connu un progrès spécial. À ce jour, ils sont réalisés des études étendues pour l’amélioration des propriétés des matériaux utilisés dans les applications médicales des différents domaines.
Applications de l’hydroxyapatite
Tel que je l’ai mentionné antérieurement, grâce à la similitude avec composante inorganique du tissu dure humain, l’hydroaxyapatite est considérée un matériel adéquat pour différentes applications médicales qu’impliquent la réparation du tissu osseux et dentaire, étant déjà utilisée dans ce but depuis presque 40 ans . En plus, les études récentes ont mis en évidence le potentiel de l’hydroaxyapatite d’être utilisés comme système de livraison des médicaments, pour la direction des cellules, comme sonde biologique luminescente ou pour le diagnostic. Dans les applications cliniques, les biocéramiques sur base d’HAp peuvent être utilisées à la stomatologie ou orthopédie ou sous la forme d’implants de petites dimensions. De même, ces biocéramiques peuvent être utilisées comme sous-couche temporaire qui favorise la croissance cellulaire et la régénération du tissu osseux dans des régions qui ne sont pas soumis au stress mécanique ou comme matériau recouvrant biocompatible et bioactif des implants métalliques utilisés dans le domaine maxillo-facial et orthopédique .
On a démontré que les greffes synthétiques sur base d’hydroxyapatite s’intègrent dans l’organisme humain sans être rejetées par le tissu d’accueil et elles facilitent la formation d’un nouveau tissu osseux, en créant des liaisons avec le tissu nouvellement formé. Un tel comportement détermine une meilleure récupération du tissu osseux lésé. D’autre partie, les nanoparticules d’HAp ont été utilisées à large échelle comme des composants bioactifs dans la fabrication des greffes osseuses.
L’hydroxyapatite peut être utilisée comme matériel couvrant pour les implants métalliques en facilitant une meilleure adhésion de l’implant de tissu osseux adjacent.
Les réponses biologiques d’HAp et aussi l’adhésion et la diffusion ou la prolifération et la différenciation cellulaire dépendent de la porosité et la dimension des micropores, de la forme et la dimension des cristallites, de la cristallinité et les substitutions ioniques. Un intérêt spécial pour la médecine reconstructive est représenté par la régénération des cartilages.
Caractérisation ultrasonore des biomatériaux céramiques
Caractérisation ultrasonore des solutions : Les équipements qui sont utilisés aux déterminations expérimentales sont groupés comme il suit :
Le récipient thermo-contrôlé (réalisé à S.C. Nuclear NDT Research & Services) est formé des deux structures: le récipient d’acier inoxydable à couvercle de plexiglas par lequel il passe le transducteur ultrasonique d’immersion, sonde de température, axe de l’hélice d’homogénéisation agi par le moteur fixé sur le couvercle et spirale de chauffage du liquide ; Le bloc électronique de mesure et de contrôle de la température, qu’affiche la température avec erreur de 0,1 °C et commande après un programme adaptatif le chauffage en récipient, afin de maintenir une température constante du liquide du vaisseau d’acier inoxydable, ou la croissance après une fonction de temps donnée. Le même bloc de commande agi aussi l’hélice d’homogénéisation de la température.
L’appareil puser-receiver (réalisé au laboratoire LAUM – Université du Havre – France). Il fonctionne dans ce travail, en régime de pulser-receiver sur un seul transducteur qu’accomplit les deux rôles. L’appareil émet un pouls bref (signal Dirac) d’haute tension (300 V). Le transducteur produit un signal de résonance et puis il réceptionne les échos du liquide mesuré. L’appareil amplifie ces signaux (amplification réglable jusqu’à 100 dB) et il les applique à la borne de sortie, qui est lié à l’entrée de l’oscilloscope. L’appareil a encore une sortie « trigger-out » qui est utilisée pour la synchronisation de l’oscilloscope par l’entrée « Aux » de celui –ci.
Transducteur ultrasonore. Il a été choisi le modèle H5K (produit par General-Electric, Krautkramer), avec la fréquence centrale 5MHz et un très court pouls. Le transducteur est couplé à la borne 1 de l’appareil pulser – receiver.
L’oscilloscope Tektronix DPO 4014B (produit par Tektronix) est utilisé pour l’affichage et le stockage des signaux de pulser – receiver. Le stockage se réalise sur stick de mémoire sous forme de fichiers de texte.
Table des matières
Introduction
1er chapitre: Propriétés générales des biomatériaux céramiques
1.1 Présentation générale des biomatériaux
1.2 Biomatériaux céramiques
1.3 Biocéramiques sur base de phosphate de calcium
1.4. Hydroxyapatite
1.5. Applications de l’hydroxyapatite
2ème chapitre: Méthodes de synthèse et techniques de caractérisation des biomatériaux céramiques
2.1. Synthèse et caractérisation structurelle et morphologique des biomatériaux céramiques
2.1.1 Synthèse par co-précipitation
2.1.2 Caractérisation
2.3. Caractérisation ultrasonore des biomatériaux céramiques
2.3.1 Caractérisation ultrasonore des solutions
2.4. Caractérisation biologique des biomatériaux céramiques
2.4.1 Viabilité des cellules endothéliales sur poudres d’hydroxyapatite dopée avec différentes concentrations de zinc
2.4.2 Viabilité des cellules HepG2 sur poudres d’hydroxyapatite dopée avec des différentes concentrations de zinc
2.4.3 Viabilité des cellules HeLa sur poudres d’hydroxyapatite dopée avec Zn dans la matrice de collagène
2.4.4 Études antimicrobiennes sur Escherichia coli
2.4.5 Évaluation qualitative de la sensibilité des différentes souches microbiennes par rapport aux nanoparticules avec potentielle action antimicrobienne
3ème Chapitre: Caractérisation physique-chimique et biologique de l’hydroxyapatite dopée avec zinc
3.1. Caractérisation physique – chimique des poudres d’hydroxyapatite dopée avec des différentes concentrations de zinc
3.1.1 Diffractométrie de rayons X (DRX)
3.1.2 Microscopie électronique de balayage (MEB)
3.1.3 Microscopie électronique en transmission (MET)
3.1.4 Analyse thermique (TGA-DTA)
3.1.5 Spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR)
3.1.6 Spectroscopie Raman
3.1.7 Spectrométrie de photoélectrons induits par rayons X (XPS)
3.1.8 Mesures de porosité par adsorption – désorption de gaz (méthode BET)
3.2. Études biologiques des poudres d`hydroxyapatite dopée avec des différentes concentrations de zinc
3.2.1 Croissance et viabilité des cellules endothéliales sur supports d’hydroxyapatite dopée avec des différentes concentrations de zinc
3.2.2 Viabilité des cellules HepG2 sur poudres d`hydroxyapatite dopée avec des différentes concentrations de zinc
3.2.3. Études antimicrobiennes sur Escherichia coli
3.3. Conclusions
4éme chapitre: Synthèse et caractérisation des nano-composites sur base de l’hydroxyapatite
4.1. Synthèse et caractérisation des poudres d’hydroxyapatite dopée avec zinc en collagène
4.2.1. Diffractométrie de rayons X (DRX)
4.2.2 Microscopie électronique de balayage (MEB)
4.2.3 Spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR)
4.2.4 Spectroscopie Raman
4.2.5 Analyse thermique (TGA-DTA)
4.2.6 Mesures de porosité par adsorption – désorption de gaz (méthode BET)
4.3 Études biologiques des poudres d’hydroxyapatite dopée avec zinc en collagène
4.3.1 Étude de la cyto-toxicité
4.3.2 Distribution du cycle cellulaire
4.3.3 Évaluation des propriétés antimicrobiennes
4.4 Conclusions
5ème chapitre: Caractérisation ultrasonore des biomatériaux céramique sur base d’hydroxyapatite dopée avec des différentes concentrations de zinc
5.1 Caractérisation ultrasonore des dispersions d`hydroxyapatite (HAp) et hydroxyapatite dopée avec zinc (HApZn7 et HApZn20)
5.2 Dispersion des ondes ultrasonores d`haute fréquence des nanoparticules dispersées dans l’eau bi-distillée
5.3 Conclusion
Conclusions Générales
Bibliographie
Liste des propres contributions
6.1 Travaux publiés dans les revues
6.1.1 Revues indexées ISI
6.2 Travaux présentés aux conférences
6.2.1 Conférences internationales
