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Article

1 - DÉFINITION ET PROPRIÉTÉS D'UN BIOMATÉRIAU

2 - PROCÉDURES EXPÉRIMENTALES IN VITRO PROPRES AUX BIOMATÉRIAUX

3 - COMPORTEMENT DES DIFFÉRENTES FAMILLES DE BIOMATÉRIAUX EN MILIEUX PHYSIOLOGIQUES NATURELS ET SYNTHÉTIQUES

4 - TRAITEMENTS DE SURFACE POUR UNE MEILLEURE BIOCOMPATIBILITÉ

5 - CONCLUSION

Article de référence | Réf : COR140 v1

Traitements de surface pour une meilleure biocompatibilité
Corrosion et traitements de surface des biomatériaux

Auteur(s) : Caroline RICHARD

Relu et validé le 01 sept. 2015

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Sommaire

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RÉSUMÉ

Les biomatériaux sont, par définition, des matériaux biocompatibles avec l'organisme humain. Bien qu'imaginés il y a plusieurs millénaires, ce n'est que dans les dernières décennies que leur développement s'est accéléré. Ces matériaux ont pour objectif d'allonger la durée de vie du corps humain en remplaçant ou en restaurant une ou plusieurs fonctions défaillantes. Or, comme tous matériaux, ils peuvent subir des altérations dans l'environnement biologique de leur utilisation. On parle alors de biodégradation. Afin de minimiser ces interactions, il est nécessaire de réaliser un traitement de surface pour améliorer leur biocompatibilité. Cet article présente donc les propriétés des biomatériaux ainsi que leurs comportements en milieux physiologiques naturels et synthétiques. Sont détaillés également les méthodes de traitement de surface, suivant les types de matériaux utilisés.

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ABSTRACT

Corrosion and surface treatment of biomaterials

By definition, biomaterials are biocompatible with the human body. Although these were imagined several millenniums ago, it is not until recently that their development has accelerated. The objective of such materials is to increase the lifetime of the human body by replacing or restoring one or several faulty functions. However, just like any material, they can be altered by the biological environment of their use. This is referred to as biodegradation. In order to minimize these interactions, a surface treatment must be carried out to improve their biocompatibility. This article thus presents the properties of biomaterials as well as their behavior in natural and synthetic physiological media. Surface treatment methods according to the types of material used are also detailed.

Auteur(s)

  • Caroline RICHARD : Professeur des universités, Polytech'Tours - Université de Tours François Rabelais

INTRODUCTION

Réparer l'homme » avec des (bio)matériaux afin de retrouver l'intégrité et les fonctionnalités de son corps après une maladie ou un traumatisme, voire une amputation, a toujours été une quête inhérente (et incessante) à l'être humain. On peut trouver de nombreux témoignages et traces de différentes thérapies ou solutions utilisées par le passé, et ce dans toutes les grandes civilisations. Par exemple, les Chinois et parallèlement les Aztèques utilisaient déjà l'or en dentisterie . Dans l'Égypte ancienne, des mises à jour récentes ont permis de découvrir des prothèses de gros orteil en bois et en cuir, imitant à la perfection le doigt de pied manquant ainsi que des pieds entiers artificiels et des mains articulées  . L'Histoire est donc parsemée de tels cas. Beaucoup remontent à plusieurs millénaires. Ainsi dans le Rig Veda, un livre sacré ancien de l'Inde (compilé de 3500 à 1800 avant J.C.), il est mentionné  que la reine Vishpla a perdu une jambe par amputation suite à une blessure de guerre. Après guérison de sa blessure, elle reçut une prothèse en acier lui permettant de remarcher et de repartir sur les champs de bataille. Métaux et bois étaient donc déjà souvent employés mais également des pierres pour remplacer les yeux (remplacement esthétique) et même la nacre pour réparer des dents (trace d'une réparation dentaire de ce type, sur un crâne maya du Honduras , il y a 2 000 ans). Cependant, d'autres matériaux ont été envisagés. Le Sage chirurgien Susruta (environ 800 avant J.C.), équivalent indien d'Hippocrate, souligne dans son traité l'utilisation d'instruments chirurgicaux et matériaux avec détails et précision. Il a ainsi décrit des sutures réalisées avec des fibres de coton, cuir, tendons d'animaux, crins de chevaux et diverses fibres végétales. En France, des travaux équivalents sont reportés par Ambroise Paré au XVIe siècle (ligature des artères). En 1775, deux chirurgiens toulousains (Lapeyode et Sicre) emploient des sutures en fer pour réduire la fracture d'un humérus. Cependant en cette fin du XVIIIe/début du XIXe siècle où l'anesthésie, les principes d'antisepsie et les antibiotiques sont complètement inexistants, cela est couronné de peu succès pour des raisons évidentes. Néanmoins, on découvre que la plupart des métaux connus disponibles ne sont pas stables dans le temps et ont tendance à se corroder.

Ce n'est qu'il y a une quarantaine d'années seulement que la science des biomatériaux est devenue une science à part entière qui va de l'élaboration de nouveaux matériaux utilisables en pratique clinique jusqu'à l'évaluation de leur comportement global dans un corps humain à plus ou moins long terme. L'autre raison du développement croissant et accéléré des biomatériaux, est que la durée de vie des populations augmente dans les pays industrialisés (cf. figure A de [Doc. COR 140] ) mais la qualité de nos tissus diminue avec l'âge, de manière plus ou moins drastique selon le mode de vie, l'hérédité. Le recours aux prothèses est de plus en plus courant en attendant les progrès de l'ingénierie tissulaire ou celui sur les thérapies par cellules souches. Implanter une prothèse est donc une chose commune de nos jours (plus de 120 000 prothèses ostéo-articulaires posées par an ; marché de 1,5 milliards d'euros par an ; 3,2 millions de personnes ont un biomatériau implanté rien qu'en France), mais il est essentiel qu'elle soit supportée par le patient et qu'elle ne soit pas altérée dans le temps. Pour donner un ordre de grandeur, les plus longues durées fonctionnelles d'un implant orthopédique sont, à l'heure actuelle, de seulement 15 à 20 ans ; ce qui représente une butée technologique pour les personnes jeunes qui ont pu être accidentées ou subissent une maladie chronique osseuse, par exemple.

Un large panorama des différents aspects de la corrosion et traitements de surface des biomatériaux est ici développé. Rappelons que, quel que soit le domaine d'application, la corrosion n'est pas une propriété intrinsèque d'un matériau mais celle d'un système : matériau/surface/milieu.

Cela est d'autant plus délicat à étudier puisque, dans le cas des biomatériaux, il s'agit d'interactions avec le vivant.

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-cor140


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4. Traitements de surface pour une meilleure biocompatibilité

La composition superficielle et l'état de surface d'un biomatériau sont déterminants pour sa biocompatibilité puisque le lieu de l'interaction entre un biomatériau et son environnement de travail est l'interface matériau/tissu. Il s'agit donc de minimiser au mieux ces interactions. Plusieurs stratégies peuvent être mises en œuvre telles que :

  • des modifications de surface ;

  • des traitements de surface par revêtements.

Afin de mettre en évidence l'influence d'un traitement de surface sur la biocompatibilité d'un matériau, de nombreuses mises à l'épreuve du matériau traité dans des environnements biologiques variés (cultures cellulaires, expériences animales, expériences cliniques humaines) sont nécessaires. Dans les premières étapes, diverses techniques de caractérisation de surface simples à mettre en œuvre sont utilisées. Parmi ces techniques, on peut trouver l'analyse chimique de surface (XPS), et l'observation de la mouillabilité du matériau par divers liquides (mesure de l'angle de mouillage). La figure 18 montre un résultat d'analyse XPS sur des couches d'oxydes à la surface d'un alliage Ti6Al7Nb, les surfaces ayant au préalable subi un polissage mécanique, une passivation ainsi qu'une attaque à l'acide fluorhydrique respectivement. On peut ainsi rapidement voir l'influence d'un traitement de surface sur la composition chimique surfacique.

Dans certains cas, des corrélations entre les caractéristiques de surface obtenues et les propriétés biologiques d'un matériau traité existent, comme son aptitude à immobiliser certaines bactéries.

Rappelons que les cinétiques de corrosion des matériaux implantés sont fréquemment accélérées par des processus mécaniques comme l'usure. Il est donc particulièrement judicieux de choisir un traitement de surface permettant d'améliorer à la fois la résistance à la corrosion et à l'usure (tribocorrosion). La grande majorité des traitements de surface sont plutôt destinés à augmenter la résistance à l'usure afin de diminuer la génération de débris, qui, s'ils sont produits en trop grande quantité, peuvent être toxiques de par leur nature, leur...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - MAULI AGRAWAL (C.) -   Reconstructing the human body using biomaterials.  -  JOM, vol. 50, no 1, p. 31-35, janv. 1998.

  • (2) - CORNET (A.), MEYER (J.-M.) -   Corrosion des biomatériaux.  -  Dans « Corrosion et anticorrosion : pratique industrielle », chap. 7, Éd. Scie. BERANGER (G.) et MAZILLE (H.), Collection Mécanique et Ingénierie des Matériaux, Hermès-Lavoisier, p. 129-134 (2002).

  • (3) - RICHARD (C.) -   Corrosion et anticorrosion dans le domaine biomédical – Cas des prothèses articulaires et dentaires.  -  Dans « Prévention et lutte contre la corrosion : une approche scientifique et technique », chap. 29, Éd. Scie. NORMAND (B.), PÉBÈRE (N.), RICHARD (C.) et WÉRY (M.), PPUR, p. 721-741 (2004).

  • (4) - BOBBIO (A.) -   The first endosseous alloplastic implant in the history of man.  -  Bulletin of Historical Dentology, 20(1), p. 1-6 (1972).

  • (5) - GUILLEMOT (F.), DURRIEU (M.-C.), BAQUEY (Ch.) -   Méthode de biofonctionnalité des alliages de titane.  -  ...

1 Sites Internet

Sur la biocompatibilité et les différents alliages utilisés http://membres.lycos.fr/atollimplant/tolerance.htm

Sur les implants dentaires et l'ostéointégration http://www.implants-dchappuis.ch/implants.htm http://www.implant.com.fr/osteointegration.html

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2 Normes et Standards

EN ISO 22674 - 2006 - Art dentaire – Matériaux métalliques pour les restaurations fixes et amovibles et les appareillages - -

ISO 6474 - 1994 - Implants chirurgicaux – Produits céramiques à base d'alumine de haute densité - -

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3 Données statistiques et économiques

Dans les pays industrialisés, la durée de vie de la population augmente (figure ), ce qui peut, en partie, expliquer le développement croissant des biomatériaux.

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