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Interactions vivant/matériaux

Ch. GrandfilsBiochimie et Physiologie Générale

Centre Interfacultaire des Biomatériaux(CEIB)

http://www.ceib.ulg.ac.be/cms/index.php?page=members_area

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Login : Nanofibrepw : nanoFIBRE

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Quelques références bibliographiques* Biomaterials. An introduction 2nd Edition, J.B. Park and

R.S. Lakes, Plenum Press, New York and London : - Introduction : history, performance, definition, problems- The structure of solids- Characterization of materials (metals, ceramics, polymerscomposites)

- Metallic implants- Ceramic implants- Polymeric implants- Composites as biomaterials- Structure-property relationships of biological materials- Tissue response to implants- Soft tissue replacement (suture, skin, adhesive, vascular,heart, …)

- Hard tissue replacement (wire, pin, screw, plate, join, dental,..- Transplants (bood, kidney, liver, heart, lung, bone, skin, hair,

nerve, brain, pancreas, cornea)383 pp. Comprenhensive book.

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Handbook of Biomaterials Evaluation. Scientific, Technical, andClinical Testing of implant materials.2nd Edition, Edited by AN.F. von Recum (Francis & Taylor, 915pp)

1. Bulk Characterisation (metals, polymers, composites, dental,dental, textiles, absorbable material

2. Surface characterisation (ceramics, glasses, corrosion, wear,reference materials, surface topography, property modifications, particulate material, sterilisation effect

3. Toxicological evaluations : testing, hypersensitivity, tumor induction in use testing4. In vitro assessment : mammalian cell culture, hemocompatibility, genotoxicity5. Active implants : tissue engineering, immunoisolation device, drug delivery systems,

biosensors6. Implantology : protection of research animal, animal selection, surgical procedures, implant

infections, general compatibility, hemocompatibility, osteocompatibility, odontocompatibility.7. Soft tissue histology : tissue preparation, ligth and electron microscopy, histochemical and

quantitative microscopy, molecular biology approach,cage implant testing system, explant cardiovascular devices

8. Hard tissue histology : processing, permucosal interface, intra vitam staining quantitative morphology of implant/bone interface, microradiography

9. Regulation aspects : legal aspects, preclinical testing, clinical trials, protection of human subjects

10. Clinical trials : patient selection, multiphasic device testing, design clinical studies, malpractice risk,information for the public.

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Biomaterials Science and Biocompatibility, F.H. Silver and D.L.Christiansen, (Springer, 1999), 341 pp

1. Introduction : properties of soft and hard tissues, properties of synthetic materialsStructure and properties of cells, cellular and tissue response to materials

2. Structure and properties of biological tissues3. Structure and properties of polymers, metals and ceramics4. Microscopic and macroscopic structure of tissue5. Determination of physical structure and modelling6. Assembly of biological macromolecules7. Mechanical properties of tissues8. Pathobiological and response to tissue injury9. Wound healing10. Pathobiological responses to implants11. Tissue engineering12. Future considerations.

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Biocompatibility assessment of medical devices and materialsEd. J.H. Braybrook, Wiley (1997, 231 pp)

1. Biocompatibility standards : an international overview (US and Europe)2. The role of material standardisation and method validation in evaluating

biocompatibility3. Biodegradation and toxicokinetics studies4. The surface analysis of polymeric biomaterials5. Sterilisation process and residuals6. Cytotoxicity7. Interaction with blood8. Genotoxicity, carcinogenicity and reproductive toxicity9. Explant retrieval and analysis10. Assessment of biological safety- Risk analysis.

• Biomaterials science, an introduction to materials in medicine

B D Ratner, AS Hoffman, FJ Scoen, JE Lemons Eds, Academic Press (1996)

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1. Introduction - Définitions

* Biomaterial : - “non viable materials used in a medical device,

to interact with biological systems”- “material of natural or manmade origin, used to control,

support, or replace the functions of living tissues”

* Biocompatibility :- initialement, définition trop qualitative, globale et idéale : “à quel point le biomatériau interagit favorablement avecle milieu vivant, tout en répondant aux fonctionnalités souhaitées”

- actuellement : on parle de “biomaterial performances”

Définitions www.fagg-afmps.be/fr/humain/produits_de_sante/dispositifs_medicaux/

Un dispositif médical est défini comme tout instrument, appareil, équipement, matière ou autre article, utilisé seul ou en association, y compris le logiciel nécessaire pour le bon fonctionnement de celui-ci, destiné par le fabricant à être utilisé chez l’homme à des fins

- de diagnostic, de prévention, de contrôle, de traitement ou d’atténuation d’une maladie,- de diagnostic, de contrôle, de traitement, d’atténuation ou de compensation d’une blessure ou d’un handicap,- d’étude ou de remplacement ou modification de l’anatomie ou d’un processus physiologique,- de maîtrise de la conception,

et dont l’action principale voulue dans ou sur le corps humain n’est pas obtenue par des moyens pharmacologiques ou immunologiques ni pa r métabolisme , mais dont la fonction peut être assistée par de tels moyens.

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* Cheveux* Verre/lentille de contact (1886 / 1936)* Oeil artificiel, cornée, cristallin artificiel * Implant cochléaire (3M : 1973)* Chirurgie dentaire : - (Grèce :- 300 : 1ère trace prothèse en Au)- Plombage : IX S: arabie- Dents artificielles/dentiers, couronnes,…

* Chirurgie maxillofaciale* Chirurgie esthétique (-300)* Implant pour cordes vocales* Peau artificielle* Assistance pulmonaire* Cardiovasculaire : vaisseaux, pace-maker,

coeur artificiel, valvules, stent, coils, ballonnets, colles, microbilles, sang,cathéters,..

* Chirurgie orthopédique membres supérieurs, inférieurs, colonne: plaque, tige, vis, clous, ciments, prothèses, ligaments, tendons

* Gynécologie, obstétrique, urologie* Greffe assistée: foie, rein, pancréas, nerf, moelle* Fils, adhésif de suture, pansements* Pharmaceutique : “drug delivery devices”

Définition d’un dispositif implantable

Tout dispositif destiné :

- à être implanté en totalité dans le corps humain

ou

- à remplacer une surface épithéliale ou la surface de l’oeil, grâce à une intervention chirurgicale et à demeurer en place après l'intervention.

Est également considéré comme dispositif implantable tout dispositif destiné à être introduit partiellement dans le corps humain par une intervention chirurgicale et qui est destiné à demeurer en place après l'intervention pendant une période d'au moins trente jours.

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Exemples de dispositifs implantables

Nécessité d’une classification devant la diversité des matériaux concernés

Les dispositifs médicaux sont regroupés en fonction de quatre classes de produits correspondant au niveau de risque lié à leur utilisation

- Site et durée d’implantation- Degré d’envahissement (dégradation, fonctionnalités (passifs – actifs)- Effet local - systémique

Classe I : non invasifs, exemple : pansement destiné à être en contact avec de la peau lésée ; dispositifs invasifs en rapport avec les orifices d u corps pour cavité buccale jusqu'au pharynx, dans le conduit auditif externe, jusqu'au tympan ou dans une cavité nasale (dans auxquels cas ils font partie de la classe I Classe IIa : ex : dispositifs non invasifs destinés à conduire ou à stocker du sang, des liquides ou tissus corporels, des liquides ou des gaz en vue d'une perfusion : dispositifs implantables pour les dents ou dispositifs invasifs en rapport avec les orifices d u corps s'ils sont destinés à un usage à court terme, Classe IIb : ex : dispositifs invasifs à long terme de type chir urgical font partie de la classe IIbClasse III ; exemple dispositifs implantables contact direct ave c le coeur, le système circulatoire central ou le système nerveux central

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- La directive 93/42/EEC relative aux dispositifs médicaux- La directive 90/385/CEE relative aux dispositifs médicaux implantables actifs- La directive 98/79/EEC relative aux dispositifs médicaux de diagnostic in vitro

Révision de 93/42/EEC débuté en 2008 – continuera en 2012

Aspects régulatoires

En fonction de la classe, critères d’exigences avant mise sur le marché sont différents. « Not feasible economically, nor justifiable in practice to subject all medical devices to the most rigorous conformity assessment proceduresAvailable”.

- Difficulté des études précliniques et cliniques : absence de modèles in vivo relevants – durée des implants (30 ans …),

d’où l’importance d’une MATERIOvigilance !

- Durée limitée pour la mise sur le marché : typiquement : entre 2 à 6 ans

- Evolution plus rapide sur le marché des matériaux

- Domaine accessible à des PME’s (en contraste avec le secteur du pharma) milliers de petites firmes, mais aussi Multinationales (Johnson & Johnson, GE, Siemens, Philips, Baxter and Medtronic)

Spécificité des implants et du secteur

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- Production le plus souvent hors Europe (historique : « Biomedical Engineering)

Top 30 mondial des Sociétés du secteur des matériaux médicaux (basé sur chiffre d’affaire : http://www.mpo-mag.com/articles/2006/07/top-medical-device-companies-report)

- Taille des marchés à l’échelle mondiale (croissance annuelle : 10%)

* Biomatériaux $25.6 milliards in 2008 (By: marketsandmarkets.com ; Publishing Date: May 2011 ; Report Code: BT 1608

* Matériaux Médicaux : 220 milliards (www.eurekamed.com/medical-device-market.html (par comparison : secteur du pharm : 1000 milliards (http://www.marketresearch.com/Life-Sciences-c1594/Pharmaceuticals-c89/)

Spécificité des implants et du secteur

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• Les applications des sciences de l'ingénieur à la médecine (génie médical), quicomprennent :- La bioinstrumentation- Le génie de la réhabilitation- L’imagerie médicale- Les organes artificiels- Les biomatériaux- L’informatique médicale• Les applications des sciences de l'ingénieur à la biologie (génie biologique) :- La biotechnologie, la bioinformatique- La modélisation des organes et des systèmes biologiques- Les communications dans les systèmes biologiques•Les applications des sciences de l'ingénieur au milieu hospitalier (génie clinique) :- La maintenance hospitalière- L’aide à la sélection de gros équipements hospitaliers- La formation récurrente du personnel hospitalier aux nouvelles technologies- La gestion de la qualité et de la sécurité- La radiophysique

Le génie Biomédical : définition (CAPAS, 2003)

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Prothèse pour remplacement d’articulations

Surface poreuse : faciliter la recolonisation osseuse, évite l’emploi du ciment orthopédique.

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Dialyse rénale.

Cellophane (cellulose régénérée ; cut-off : 4000 Da)

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Coeur artificiel

Un coeur artificiel permanent a été implanté pour l a première fois au monde sur un adolescent de 15 an s à l'hôpital de l'Enfant-Jésus de Rome, a rapporté sam edi l'agence italienne Ansa. (02/10/2010)

L'intervention chirurgicale, qui a duré 10 heures, a été effectuée jeudi par l'équipe de cardiochirurg ie de l'hôpital, dirigée par Antonio Amodeo. La nouveauté principale réside dans le fait que l'implantation n'est pas temporaire, comme cela se fait d'habitude, mais permanente.

Selon les experts, le coeur artificiel temporaire e st utilisé habituellement pour aider les malades en attente d'un coeur compatible pour une transplantation. Cet te fois-ci, les cardiologues romains ont préféré implanter un coeur artificiel permanent. Le coeur a rtificiel utilisé, d'une longueur de quatre centimè tres, a été inséré dans le ventricule gauche du patient. Il s'agit d'une pompe hydraulique activée électriquem ent qui a été entièrement implantée dans le thorax pour éviter les risques d'infection.

L'alimentation électrique de l'appareil se fait à t ravers une fiche placée derrière l'oreille gauche d e l'adolescent, à laquelle est reliée la batterie que le patient porte autour de la ceinture. Jusqu'à pr ésent, ce type d'intervention avait été réalisé seulement sur des adultes. La particularité de l'intervention ré side dans la caractère peu invasif de l'appareil et les modalités d'alimentation qui réduisent les risques d'infection.

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Pace-maker

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Valvule cardiaque

CollagèneCarbone pyrolytiquePPMétaux (Co-Cr, Ti)

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Prothèses vasculaires

PPPTFEPANylonSiliconePoly(ester)

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+ matériaux médicaux à usage externe (« medical devices »)

(cathéters, pansements, circuits de circulation extracorporels, sacs à perfusion, mousse pour

empreinte dentaire….)

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Application Exemples

* Remplacement d’un tissu/organe malade, altéré * Stimule une guérison * Améliore une fonction * Corrige un élément de structure * Corrige l’esthétique * A ide au diagnostic * A ide au traitement

* Articulation, prothèses osseuses * Suture, vis, clou, plaque * Pace-maker, lentille de contact *Tige de redressement vertébrale (Harrington), stent * Mammoplastie, grossissement du menton * Sondes macro- microscopiques ou moléculaires * Cathéters, drains, drug delivery systems

Fonctions des biomatériaux

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Biomatériaux intégrables à l’ensemble de l’organisme

Organe Examples

* Squelette

* Muscle

* Digestif

* Circulatoire

* Respiratoire

* Téguments

* Urinaire

* Nerveux

* Endocrine

* Reproducteur

* Sensoriel

* Prothèses, articulations

* Sutures

* Suture, diagnostique

* Valves, coeur

* Oxygénateur

* Sutures, pansements, peau artifielle

* Rein artificiel, cathéter

* Drain (hydrocéphalie), pace-maker

* Ilôts de Langherhans microencapsulés

* Mammoplastie, stérilet

* Ouie, oeil artificiels

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Bref historique* Grèce, Chine : AC : trace de l’emploi de matériaux naturels comme substituts.

- IIIe av. J.C. : Alexandrie : opération esthétique du nez- Prothèse de 4 éléments en or pour remplacement de 2 incisives : IIIe av. JC

* Plombage dentaire : remonterait au 9ème Siècle (Jean Mésué ; Au)

* 1860 : technique chirurgicale aseptique : par Lister : évite les infections post-implantation.

* 1900 : biomatériaux osseux : premier à connaître une implantation à plus largeéchelle (mais fragiles et oxydables (Vd))

* 1930 : introduction des aciers inoxydables et alliages Co-Cr

* ’40-’45 : observation : fragment de PMMA cockpit avion : “biocompatible”utilisé alors pour remplacement de cornée, et comme substitut osseux

* ’50 : vaisseaux sanguins artificiels

* ’60 : valves artificielles, ciments orthopédiques

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Biomatériaux : révolution thérapeutique du dernier 1/4 du siècle

* Précédemment, utilisés lors de situations critiques. Avec avancées technologiques : réponses à des besoins de plus en plus variés et exigeants (confort, esthétique).Cette innovation ne va pas sans poser des difficultés multiples

- approche pluridisciplinaire : indispensable

- critères objectifs permettant de juger de la « biocompatibilité »

- aspects juridiques, économiques : peu de jurisprudence existe dans ce domaine : soulève les problèmes de responsabilité des différents acteurs, vis-à-vis de la pression économique et de la demande

- aspects sociaux : coût, d’où médecine à 2 vitesses, survie sécurité sociale.

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Nature des biomatériaux

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M a t é r i a u x A p p l i c a t i o n s

A c i e r i n o x( 3 1 6 L F 5 5 ( C r N i M o ) ;3 1 6 L F 1 3 8 ; R e x 7 3 4 )

- p r o t h è s e s d er e m p l a c e m e n t d ’ o s ,d ’ a r t i c u l a t i o n ;- é l é m e n t d e f i x a t i o n d ef r a c t u r e s ( v i s , c l o u s )

A l l i a g e s d e T i( e x : T i 6 A l 4 V o uT i 6 A l 7 N b , c p T i o uT i 5 A l 2 . 5 F e )

- b o î t i e r e t é l e c t r o d e sp o u r p a c e - m a k e r- c o m p o s a n t e d e j o i n td ’ a r t i c u l a t i o n .

A l l i a g e s C o - C r( e x : F 7 5 , F 9 0 , F 5 6 2 ,F 5 6 3 )

- a p p a r e i l d e n t a i r e- v a l v e c a r d i a q u e- c o m p o s a n t e d e j o i n td ’ a r t i c u l a t i o n- é l é m e n t d e f i x a t i o n d ef r a c t u r e s ( v i s , c l o u s )

A l m a g a m e s : H g - A g - S n( C u ) o u A u - P t

A l l i a g e d e n t a i r e

N i t i n o lA c i e r i n o x

S t e n t v a s c u l a i r e

Matériaux métalliques et applications

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Applications des céramiques Matériaux

Chirurgie orthopédique- tête et cotyle de prothèse de hanche- hallux valgus

Al2O3, ZrO2

- Obturateur fémoral- Comblement (kystes, défauts osseux, ..)permanent ou temporaire- ostéotomie

HAP (Ca10(PO4)6(OH)2Al2O3TCPbioverres (SI02-CaO-Na2O-P205 (+ MgO -K20)

Chirurgie maxillo-faciale :- ostéotomie- pommettes- mentons- sillons nasogéniens

HAPAl2O3bioverreTCP

Neurochirurgie :- trous de trépan- rachisChirurgie odontologique- comblement- implant sous-dentaire- dents

Al2O3, HAP, vitrocéramiques,bioverre, porcelaine

Chirurgie otolaryngologique :ossselets de l’oreille interne

Al2O3, HAP, vitrocéramiques,bioverre,

Chirurgie cardio-vasculaire :- valve cardiaque- pace maker

dépôt céramiqueAl2O3

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M atériaux composites Applications

Fibre de carbone/carbone Vis

- Polymères (PLA ou H ighM w PE) /F ibres degraphite ou de verre

- F ibres de PE/cimentacrylique- F ibre de C /PE

Remplacem ent detendons ou ligamentspour articulations ouchirur. maxillofaciale.

Composantsd’articulation

Particules inorganiques(SiO2, quartz,.) disperséesdans une résine (glycidylméthacrylate,..)

Dentisterie

A ir/m atrice polym ère(PU, PLA /GA, PP, PVA,polyim ide, ..), céram ique

M atériaux poreux :“cell-engineering”

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A need for Biomaterials ?

Cost of the Medical Devices, 1999, Germany :

- 244 billions BEF compared to a budget of 76 billions BEF for pharmaceuticals and within a total budget for health care of 500 billions BEF

- Estimated annual productions of prostheses in each of the largest country of EC (1995)

*50,000 hip prostheses*5,000 knee prostheses*15,000 heart valves*20,000 cardiac pacemakers*10,000 ophthalmic implantsEstimated annual growth of 15 %

- In 1985, the worldwide annual demand for biomaterials was estimated at 12 billions US $.

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Advantages of the biomaterial sector

- Duration of the R/D - testing phase : limited compared to thepharmaceutical field

- High added values for the end products

- Production facilities adapted for SME

- Strenghtening of the regulations applied to the diagnosticsector

Organized by:

Euregional Working Group Technology Transfer (EWGTT)

Position of biomaterials in Euregio

Industrial activities (Number and size of

companies, type of production for the

Belgian, Dutch and German area).

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Raw material production

Manufacturing of equipmentsand services

Consultant, service (+ testing)

Electric, electronic components

R/D of medical devices

Manufacture of semi-finished products

Manufacture of finished products

Testing biocompatibility

Sterilization unit

Assistance to clinical trials

Packaging

THE NETHERLANDGERMANY

Raw material production

Manufacturing of equipmentsand services

Consultant, service (+ testing)

Electric, electronic components

R/D of medical devices

Manufacture of semi-finished products

Manufacture of finished products

Testing biocompatibility

Sterilization unit

Assistance to clinical trials

Packaging

THE NETHERLAND

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Organized by:

Euregional Working Group Technology Transfer (EWGTT)

Manufacture of finished products

Testing biocompatibility

Sterilization unit

Assistance to clinical trials

Packaging

Raw material production

Manufacturing of equipments

and services

Consultant, service (+ testing)

Electric; electronic componentsManufacture of semi-finished products

BELGIUM

40

1 à 10

11 à 2021 à 50

51 à 100

101 à 200

201 à 1000

sup. à 1000

Figure 1. Répartition des sociétés du GBM en Communauté Wallonie Bruxelles suivant le nombre d’employés -

Inventaire de l’activité industrielle en génie biomédical en Régions Wallonne et Bruxelloise de Belgique (CAPAS, 2003)

Le nombre estimé de personnes employées par ces 120 sociétés pour la seule Communauté Wallonie-Bruxelles est de 9.841 (tous secteurs confondus). Par comparaison, les secteurs de la chimie et de la fabrication d’équipements électriques et électroniques comprennent respectivement pour l’ensemble de la Belgique 67.000 et 53.000 emplois

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Diagnostic

Implants. actifsMatériaux usage

ext.

R/D ; Testing

Matériaux de base

Emballage

Equipements Thérapie

Implants. passifs

Stérilisation

Informatique Consult./service

- Figure 2. Répartition des sociétés du GBM en Communauté Wallonie-Bruxelles suivant leur type d’activité-

Inventaire de l’activité industrielle en génie biomédical en Régions Wallonne et Bruxelloise de Belgique (CAPAS, 2003)

Organized by:

Euregional Working Group Technology Transfer (EWGTT)

The EUREGIO

Liège

Maastricht

Aachen

Jülich

Manufacture of finished products

Testing biocompatibility

Sterilization unit

Assistance to clinical trials

Packaging

Raw material production

Manufacturing of equipments

and services

Consultant, service (+ testing)

Electric; electronic componentsManufacture of semi-finished products

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Possible reasons for this lacking

• No specific education :Bioengineer either specialised in

- the biomaterial science- treatment of the physiological signals

• Adequate R/D services, especially to promote the activity of small and medium sized enterprises (SME), this taking into account to achieve a critical “environment facility”

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PhysicianVeterinarianDentist

BiologistBiochemist

Economist

PolymeristCeramistMetallurgist

PharmacistBiophysicist

Biomedical engineer

Fundamental researcher

AnatomopathologistToxicologist

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Biomaterial R/D activity : a multidisciplinary eff ort

Idendification du besoin

Définition d’un cahier des charges du biomatériau

MédecinsMédecins vétérinairesDentistesBiologistesLicenciés en SciencesBiomédicales

* Polyméristes* Céramistes* Métallurgistes

Synthèse du/des matériaux et mise en oeuvre

* Biochimistes* Pharmaciens* Toxicologues* Biologistes* Sciences Biomé-

dicales

Caractérisation du biomatériau (chimique, physique, mécanique, stabilité)

Caractérisation in vitro du biomatériau (cytotoxicité, hémocompatibilité,..)

Expérimentation animale (biocompatibilité, bioefficacité)

Etude clinique

Stérilisation

Recherche fondamentale

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This pluridisciplinary effort =

- a necessity for the industry

- a reality, a need and a benefice for the university research

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To avoid to reinvent the wheel !!!

To address the issue of the cycle of the material !!!

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Centre Interfacultaire des Biomatériaux (CEIB)www.ulg.ac.be/ceib ; Dr. Ch. Grandfils (Director)

- 4 faculties involved : Medicine, Veterinary MedicineSciences, Applied Sciences

- 23 different laboratories/services ; 31 representative members

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�Tribology studies of the surface modifications of orthodontal and orthopaedic prostheses by ionic implantation and plasma projections.

�Techniques : metallographic tools, thermal analysis, mechanical testing, foundry practise and deformation processes.

� Optimisation of the synthesis of crystalline, amorphous or vitreous phases and accordingly their stability study. SEM, ESEM and X-diffraction analysis of biomaterials.

� Macromolecular engineering with controlled polymerisation mechanism (lactides, lactones, acrylic,..), ; novel architectures: block graft, random, star-branched copolymers

�Hybrid ceramic/polymer matrices, hydrogels, stimuli-responsive polymers.

� Polymers with reactive groups for synthesis of bioconjugates and labelling of biomaterials.

� Strongly adhering polymers for metals and carbon coating by electrochemical process.

� Polymer synthesis and processing in supercritical fluids

Metals

Ceramics

Polymers

� Surface modification by Radio-Frequency –Sputtering in Class 100,

� Magneto-optic materials by film deposition technique.

� Polymer processing : extrusion, compression, grinding,

� Drug immobilisation in pellets, tablets, gastro-resistant films,

� Drug encapsulation in polymeric micelles, nanoparticles, microparticles, cyclodextrines, liposomes.

Biomatrices for organ reconstruction purposes (natural or synthetic polymers,combined with normal, pathological, immortalized or genetically engineered cells)

� Mechanical, rheological, thermal properties

� Colloidal and particle size characterisation,

� Porosity characterisation,

� Morphology : optical, polarized, and electron microscopes,

AFM, X- diffraction,

� Drug release kinetics,

� Biomaterial degradation analysis,

� Surface analysis : AFM, tensiometer, contact angle.

Biomaterial characterisation

Tissue engineering and cell therapy

Biomaterial processing and functionalisation.

� Toxicological study on different cell lines

� Hemocompatibility studies

� Cell adhesion onto natural and synthetic 2D-substrates, and 3D-matrices

� Biocompatibility testing in paradontological and bucco-dental surgery.

� Metal release from dental implants.

� Biomaterial biodistribution study.

� Biointegration of orthopeadic prosthesis, of corneal

grafts and of CNS, PNS tissue engineering materials

� Interventional radiology laboratory facilities

� Evaluation of sustained drug delivery on animals

� In orthopedics, clinical evaluation of new prosthesis.

� In cardiac surgery, evaluation of Extracorporal Blood Circuits

� In paradontology and bucco-dental surgery : new prosthesis, cements.

� In interventional radiology

� In ophthalmology : evaluation of amniotic membrane in corneal grafting.

Clinical studies

Preclinical studies.

Biocompatibility analysis

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MISSIONS AND PERSPECTIVES of the CEIB

The mission of the CEIB is to promote a PLURIDISCIPLINARYand INTEGRATED research activity from the first draft leading to the design of a biomaterial to its final industrial application

Areas involved include :

� Education (graduate and master levels, continuing education)� Research in synergy with industries and public research centres� Services (material synthesis, characterisation, in vitro,

in vivo testing)� Consulting activity

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Part A : RESEARCH

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Polymer synthesis

Particle Drug Delivery

Cell therapy –

Tissue engineering

In vitro testing

GENERAL ORGANISATION OF THE RESEARCH

VALORISATION : Patents – Close collaboration with industries – Analytical services

In vivo testing

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53

Our participation to European Projects in FP-6

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CIFA (UCL)

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55

Aim : hydrogel soft and resorbable

hydrophobe hydrophile

Increase the softness of the material by increasing it’s hydrophilicity

L - H - L L - H - L

0

50

100

150

200

250

0 10 20 30 40 50 60 70

Proportion molaire de PEO [%]

Pris

e de

mas

se [%

]

15 min24 h1 semaine

H

Biodegradable and biocompatible Hydrogels

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Amphiphilic Polymeric Micelles

Strategy

� Poly (ethylene oxide)-Biocompatibility-Hydrophilicity- Eliminable through kidney

Protein drug (Human Insulin)

� Poly-εεεε−−−−(caprolactone)-Biodegradability, -Compatibility with a wide range of other polymer-Relatively low cost. -High crystallinity

PEO PCL

C

O

O O

H3CO

mn

29

57

Enhancement of transfection efficiency through rapid and noncovalent post-PEGylation of poly(dimethylaminoethyl methacrylate)/DNA complexes. S. Pirotton, C. Muller, N. Pantoustier, F. Botteman, S. Collinet, C. Grandfils, G Dandrifosse, P. Degée, P. Dubois et M. Raes., Pharm. Res. 21 (2004), 1471-1479

Influence of DNA condensation state on transfection efficiency in DNA/polymer complexes : an AFM and DLS comparative study, C.Volcke, P. Thiry , Ch. Humbert, S. Pirotton, I. Ydens, Ph. Dubois, M. Raes and Ch. Grandfils, Journal of iotechnology, 2006, (2006), 125(1), 11-21Optimisation of poly(2-(dimethamino)ehtyl methacrylate)-co-(ethylenglycol)/DNA complexes designed for cell transfection, C. Grazndfils, J. Emonds-Alt, Minerva Biotec, 2005, 237-243.

Macromolecular assemblies – Gene therapy

Lysosome

Nuclear

2

3

4 5

4

1

Endosome

Opsonines Extracellular compartment

6

DNA Polymer

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Biodegradable Nanodispersions

Preparation of sub-200 nm biocompatible nanoparticles designed for protein drugs absorption and delivery. C. Grandfils, R. Jérôme, N. Nihant, P. Teyssié, inventors. Université de Liège, assignee. International Patent Application. PCT/EP 96/02878. 1995; 8/973,863

30

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Biodegradable microparticles

• Polylactide microparticles prepared by double emulsion-evaporation. II. Effect of the poly(lactide-co-glycolide) composition on the stability of the primary and secondary emulsions, N. Nihant, C. Schugens, C. Grandfils, R. Jérôme, Ph. Teyssié, J. Colloid and Interface Sci., 173, 995), 55-65

• Bioencapsulated peptides, proteins, animal cells : preparation and applications in biomedical fields. E. Markvicheva, Ch. Grandfils, L.Bezdetnaya, J-L Goergen, A.Bartkowiak, F.Guillemin, D.Poncelet, Chem. Industry, 58 (6a) (2004), 75-78

60

www.ulg.ac.be/ceib/services

Colloid and particle size analysis

Part B : SERVICES

31

61

From molecular level to microdispersed systems

� To microdispersed materials (drugs, ceramics, cements, foods stuff, …)

� To submicron range (micelles, liposomes, latex, aerosols,emulsions…)

� Molecular weight distribution of polymers (water or lipophilic polymers, polymers, proteins, nucleic acids aggregation)

Range of particle analysed – Type of materials characterised

nm

0

2

4

6

8

10

12

10 100 1000 10000

t(reaction) = 5 ht(reaction) = 2 ht(reaction) = 22 h

% In

tens

ity

Diameter, nm

100 nm

nm

100 µm

62

32

63

0.0 0.5 1.0 1.5 2.00.0

-75.0x10

-61.0x10

-61.5x10

-62.0x10

-62.5x10

sin²(theta/2) + 11875* c

K*c

/R(th

eta)

Zimm Plot - MR4

RM S : 9 7. 1 ± 1. 4 n mM M : ( 2. 13 0 ± 0 .0 70 )e + 6 g /m o lA 2 : (-3 .7 8 4 ± 0. 40 4 )e -3 m ol m L /g ²

31.0x10

41.0x10

51.0x10

61.0x10

24.0 26.0 28.0 30.0 32.0 34.0

Mo

lar

Ma

ss (

g/m

ol)

Volume (mL)

Molar Mass vs. Volume SD11__012nd orderSD12__012nd orderSD17__012nd orderSD18__012nd orderSD19__012nd orderSD20__012nd orderSD15__012nd orderSD16__012nd orderSD13__012nd orderSD14__012nd orderSD10__012nd orderSD9___012nd order

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33

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Viscosimetry

Surface propertiesDynamic contact

Angle analysis

Static mechanical properties

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Hemocompatiblity testing

� Coagulation� Complement activation� Blood cell analysis (cell aggregation, lysis,

activation and platelets adhesion)

Performed on normal human bloods and according to ISO rules 10993)

Prescreening purposes

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Résumé de la séquence vidéo de l’émission « Surhumain » de la

BBC

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� Images parfois difficiles mais illustratives de la réalité clinique !!

� Derrière cette recherche biomédicale, ne jamais oublier qu’il y a des patients ! Et des patients qui sont en attente d’une solution. Celle-ci peut permettre :

� à un enfant d’entendre pour la première fois de sa vie (implant cochléaire),

� de recouvrir une activité normale (secteur du cardiovasculaire, rénal)

Mais il reste actuellement encore du travail ……..

Le film met en exergue :

� le degré de sophistication des biomatériaux actuels dans lesquels sont combinés l’électronique, les biosenseurs, des matériaux polymères/céramiques/polymères : matériaux intelligents !!

� La technicité de l’intervention médicale (une équipe de 18 chirurgiens)

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• Pose certains problèmes : • coût de cette médecine technologique (médecine à deux vitesses)

� rapport bénéfice / risque (risk assessment)

� psychologique : en particulier pour des greffes ; s’accepter et se faire accepter

� éthique : responsabilité d’essais cliniques « aventuriers » ; attention du chercheur isolé dans un laboratoire qui peut être sollicité par un médecin qui n’a pas de solution à une situation pathologique… (avis obligatoire du comité éthique local, nécessité de travailler en multidisciplinarité)• L’homme est considéré comme un matériau (biomécanique) !! Choquant pour certains !!Moins, si l’on examine du niveau macro-, microscopique, jusqu’à l’échelle moléculaire !! Importance de cette analyse aux différents échelles ; l’organisme n’est pas un ensemble de molécules prises isolément (risque de la biologie moléculaire !!) Importance de simuler ce que « mère nature » a fait évoluer et optimiser sur des centaines de milliers d’années !!

• Notre vue peut être faussée sur la complexité, difficulté de reconstituer certains organes, ce sur base d’un classement hiérarchique (ouïe, cœur versus main)

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Tolérance du biomatériau : biocompatibilité et système immunitaire !!!

BIOMATERIAU = CORPS ETRANGERS

Un défi : par une meilleure connaissance tant du biomatériau, de notre système immunitaire et des interactions vivants-matériaux, il doit être possible de mieux contrôler la biocompatibilité des biomatériaux actuels !!

• Espoir de l’ingénierie tissulaire : reconstruction d’organes par l’exploitation des cellules souches (cellules fœtales d’origine porcine ; « modifiées par un agent chimique !!) ; y compris pour le CNS (traitement de paraplégie traumatique, de la maladie de Parkinson).

• Nécessité d’une synergie entre recherche en biomatériaux et ingénierie cellulaire (le biomatériau favorise, stimule la recolonisation cellulaire ; prévient sa reconnaissance par le système immunitaire)

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Biomatériaux- Biocompatibilité

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Les biomatériaux présentent-ils des risques ?

* Réactions inflammatoires (court terme - long terme)

* Infections

* Thrombose - Embolisation - Hémorragie - Sténose

*Altération des propriétés mécaniques de la prothèse (érosion - fracture -rupture d’une barrière)

* Réactions immunitaires plus spécifiques : hypersensibilité, maladies autoimmunes, inflammations articulaires

TOUTEFOIS : RISQUE 0 n’existe pas

RISK ASSESSMENT STUDY

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Crise des biomatériaux polymères* Contraintes administratives : en particulier pour matériaux de classe III (matériaux à hauts risques, nécessitant outre les dossiers : «General Control» et «Special Control», un dossier PMA (Premarket Approval Application) à la FDA ; soit implique étude in vitro, in vivo chez l’animal + étude clinique.

* Nouvelle mentalité sociétés modernes + spécificité des avocats américains : nécessité de matériaux garantis sans risques et 100% efficients

Crise des années ‘90.

1992 : Du Pont : prévient qu’il ne produira plus les polyesters nécessaires à la production des prothèses vasculaires

Suivi de l’arrêt de la production de polyfluorocarbone, polyacétals, silicones, nylon et de certains polyuréthanes.

Pas de solutions actuelles : survie sur les stocks

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Biomaterial performances

* Estimée sur base d’un ensemble de critères qualitatifs, semi-quantitatifs et quantitatifs :

- érosion, corrosion de surface- changement dans la masse du matériau (composition, propriétésmécaniques,…)

- réaction de l’hôte : adsorption de protéines, identification et quantification de la réaction inflammatoire, identification et dosage des enzymes activées en surface du biomatériau, ou autresmolécules (interleukines,..)

* Mais estimation de la biocompatibilité reste encore trop sujetteà une subjectivité.

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Performance d’un biomatériau* Soit r : la fiabilité d’un matériau et f : la probabilité d’une défaillance donnée

dès lors : r = 1- f

* Si il existe n causes possibles de défaillance, dès lors :

rT = r1 . r2 . r3 …... rN

Pour la société commercialisant ces biomatériaux : défaillance est tributaire

- de paramètres contrôlables : composition, fabrication, stérilisation,...

- et non contrôlables : condition d’emploi par le médecin, état physio-

pathologique du patient.

Insérer figure 1.1 : p5 : Park

chaque type de défaillance présente un décours cinétiqueparticulier ; et fonction du type d’implant et du site d’implantation

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COMMENT AMELIORER LA BIOCOMPATIBILITE

DES BIOMATERIAUX ???

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Avant tout passe par une meilleure connaissance des :

1. Particularités des deux partenaires

D’où l’importance d’une caractérisation détaillée :

- des propriétés des biomatériaux

- des propriétés de l’organisme

2. De la situation des interrelations actuelles

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Etat des interrelations actuelles : situation conflictuelle permanente

* Le biomatériau est reconnu par l’organisme comme un «corpsétranger» dont il veut se protéger

* Le biomatériau subit différentes agressions de la part de l’environnement.

* RESULTANTE : situation de conflit perpétuelle allant soit de l’enkystement au rejet du biomatériau.

Prof. David William (Dp. Clinical Engineering, Member of the Scientific Committee on Medicinal Products and Medical Devices of the European Commission.From Medical Device Technology, Décembre 1999.

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Biocompatibilité et interfacesInterface du biomatériau qui en contrôle la biocompatibilité (à court terme) ; une évidence ??

La surface du biomatériau est exposée à un environnement physiologique très réactif :

- solution électrolytique- protéines, lipides, enzymes, cellules s’adsorbant à la surface du matériau

oxydation, hydrolyse, corrosion du matériau - mouvement organisme :

friction, érosion en surfacecharge, fatigue, contrainte : fracture du matériau

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RESUME DES AGRESSIONS

1. Agression par le biomatériau : (action locale ou à distance)- mécanique : court (traumatisme de l’implantation) ou long terme (compression tissulaire : inadéquation entre propriétés mécaniques) - chimique (érosion, corrosion, dégradation, libération d’excipients)- biologique (contamination bactériologique) - électrique, thermique,..

2. Les processus réactionnels de l’organisme :

* Inflammation* Immunologique : réaction humorale et/ou cellulaire ;

spécifique ou non* Attaque enzymatique (intra ou extracellulaire)* Isolement par fibrose.* Coagulation

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LES CONSEQUENCES POSSIBLES POUR L’ORGANISME

* Réactions inflammatoires : court et long terme (locale ou plusinsidieuse : à distance)

* Action cytotoxique : nécrose cellulaire - apoptose* Infections* Réaction immunitaire spécifique ou non (hypersensibilité)* Action mutagène (altération génétique)* Action tumorigène (augmente l’incidence de formations

néoplasmiques bénignes ou malignes)* Action carcinogène (augmente l’incidence de formations

néoplasmiques malignes)* Action tératogène (augmente l’incidence de malformations

congénitales)* Altérations vasculaires : obstruction (embole, sténose), perforation

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LES CONSEQUENCES POSSIBLES POUR LE BIOMATERIAU

*Altération des propriétés mécaniques de la prothèse (érosion - fracture -rupture d’une barrière)

* Décollement de la prothèse (prothèse de hanche) : adhésion : prothèsetissus (biointégration)

* Opacification (cristallin)

* Fonctionnalité : stimulation électrique pace-maker

TOUTEFOIS : RISQUE 0 n’existe pas

RISK ASSESSMENT STUDY

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Réaction de l’organisme aux corps étrangers (foreign body reaction)

Principe d’homéostasie de l’organisme (sous-entend une adaptation et renouvellement constant de la majorité de ses structures)

Equilibre : rompu par la présence du biomatériau entraîne

- à court terme une réaction inflammatoire aiguë- rétablissement de l’homéostasie

Toutefois, le maintien du biomatériau interfère le plus souvent avec la résorption de l’inflammation

inflammation chronique (accumulation d’enzymes,pH local baisse, lui-même favorable à une cytolyse (voire une dégradation du biomatériau) ; stimulation chronique de la réactioninflammatoire à la présence de l’implant.

d’où le biomatériau = entrave au rétablissement de l’homéostasie

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1980 : « biocompatibilité » : un centre d’intérêt de recherche partagé par plusieurs disciplines.

même si les prothèses sont utilisées depuis des siècles.

Précédemment : sélection des biomatériaux basée sur « essais et erreurs »

Ensuite raffinement des techniques conduisant à : “engineering” et “design approach”

se basant sur : - besoins fonctionnels- conditions environnementales- la réactivité et régénération du tissu environnant

(jusqu’au niveau moléculaire : « nanotechnologie »)

“Biomaterial Science and Engineering” : une discipline récente

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Etat de l’art en matière d’intégration.

Actuellement pas d’intégration fonctionnelle des biomatériaux

La réponse-type actuelle est la formation d’une barrière “passive”autour de l’implant (formation d’une gaine de tissu conjonctif ou granuleuse) tendant à isoler le “corps étranger”)

Alternative à la notion d’intégration fonctionnelle : formation d’une “barrière active”, soit constituée d’un épithéliumfonctionnelle susceptible de supprimer la réaction inflammatoirechronique, d’éliminer les particules résultant de l’érosion du matériau, résorption de liquide et autres métabolites et susceptible d’un turn-over (comme les autres épithéliums), fonction de lubrification

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Design d’intégration du biomatériau

2 modes possibles d’intégration du biomatériau :

- A. une intégration morphologique et fonctionnelle du biomatériauà savoir l’établissement de structures biochimiques (matriceextracellulaire), tissulaire (fibres conjonctives, collagènes)et cellulaires (colonisation cellulaire) comme retrouvé in vivo entre différentes structures : os-tendons, dent-os, vaisseau sanguin-tissus périphériques

- B. formation d’une barrière histologique entre le matériau et le tissu environnant. La nature de cette barrière contrôlera la communication (biocompatibilité à long terme du matériauet sa fonctionnalité).

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Nécessités pour le design des biomatériaux du futur* Approche traditionnelle : conduit à des matériaux “tolérés”, où l’on cherchait à minimiser la réaction inflammatoire(succès clinique indéniable : d’où cette approche se poursuivra)

* Approche fonctionnelle : “bio-coopérativité de l’interface

Implique : - une compréhension de la biointeraction aux différents niveaux physiologiques : organisme, tissulaire, et moléculaire

- un engineering du matériau jusqu’à l’échelle moléculaire (en ce compris pour sa surface), de façon à stimuler une réponsecellulaire spécifique (y compris en utilisant la thérapie génique)

- un contrôle de sa biocompatibilité aux différents niveaux

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Critères importants à prendre en compte pour évaluer la biocompatibilité

* Cinétique de la réaction hôte-implant : - première réaction : adsorption de protéines en surface du biomatériau (opsonisation)

- celle-ci entraîne une réponse cellulaire, qui est entre autre fonction :- des propriétés de surface du biomatériau (configuration

moléculaire, énergie de surface, charges, mobilité, hétérogénéités…)- de l’évolution de ces propriétés de surface (les protéines

initialement adsorbées altèrent-elles la surface, et ainsi modifier les réactions biologiques subséquentes ?)

Dynamisme de l’interface.

* Site d’implantation : ex. : site osseux, musculaire* osseux : en constante activité de remodelage* tissus mous : souvent remplacement par tissus fibreux

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Critères importants à considérer pour évaluer la biocompatibilité

* Tenir compte et différencier une réponse locale, d’une réponsesystémique

* Différencier la réaction associée à l’implantation du biomatériau,du biomatériau lui-même

* Evaluation multiparamétrique de la biocompatibili té :in vivo : - toxicologique

- immunologique- histologique

- in vitro : étude plus ciblée de l’interaction d’un type cellulaire (faisant abstraction du système immunitaire)

* Influence d’agents infectieux : - celle-ci accroît la réponse locale inflammatoire- la présence du biomatériau réduit les défenses locales

* Ne pas négliger la compatibilité entre différents matériaux assemblés (corrosion galvanique entre 2 métaux ; séparation de

phases entre 2 matériaux polymères, érosion différente, adhésion..)

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Interaction : pluridisciplinarité

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* Nouvelles opportunités grâce au développement de :

- sciences des surfaces- biologie moléculaire- sciences des matériaux

Objectif ultime d’une recherche en biomatériaux : “garantir la fonctionnalité du biomatériau, sans introduired’effets indésirables”

Ceci implique : tolérance mutuelle du biomatériau et de sonsite d’implantation biologique : notion de “BIO-COOPERATIVITE”

Difficulté majeure actuelle : manque de standards, méthodesd’évaluations suffisamment documentées pour juger de la biocompatibilité.