2.6 Domaine médical

Des fibres flexibles sont utilisées pour la transmission d'ondes électromagnétiques sur une distance considérable, ces cristaux contribuent au développement de nouveaux instruments médicaux, combinant diagnostic, thérapie et chirurgie de tissus dans un outil unitaire. Dans de telles applications, les cristaux de saphir semblent être les seuls à pouvoir être utilisés. Une plateforme matérielle possible qui répond aux exigences de l'ingénierie et de la conception des instruments médicaux. Parmi tous les avantages, les cristaux du saphir sont non magnétiques, biocompatibles et assurent :

- fonctionnement dans un environnement rude, en particulier au contact de tissus et liquides biologiques ou médicaments dans une large gamme de températures et en cas d'exposition des tissus aux rayonnements électromagnétiques.

- onde électromagnétique délivrant à l'objet du diagnostic et/ou de l'exposition, soit en s'appuyant sur les propriétés de guidage d'onde robustes d'un cristal façonné lui-même, soit en utilisant du quartz et des fibres optiques polymères imbriquées dans les canaux creux d'un cristal façonné (ici, le cristal façonné joue un rôle de squelette, empêchant ainsi les interactions fibre optique - tissu / liquide et, de la sorte, protégeant une fibre optique de sa dégradation) ;

- l'ablation chirurgicale de tissus (résection ou aspiration), la destruction thermique des tissus assistée par laser et la cryochirurgie des tissus utilisant les propriétés avancées du saphir : résistance mécanique impressionnante, résistance chimique, conductivité thermique, etc…

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- application des instruments en saphir pour le diagnostic peropératoire et l'exposition accompagnée d'une imagerie par résonance magnétique (IRM) de tissus.

Afin de justifier le caractère bénéfique des instruments médicaux à base de saphir par rapport aux instruments médicaux standard, dans cette section, nous avons tenu compte de nos récents développements dans ce domaine, en mettant l'accent sur les caractéristiques de la croissance cristalline des cristaux façonnés.

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a) Le scalpel en saphir pour le diagnostic, la résection et la coagulation des tissus :

Le scalpel en saphir (Figure 8), est un premier exemple représentatif des instruments médicaux. Il répond aux exigences de la chirurgie moderne et permet la résection multiplexage des tissus, le diagnostic optique peropératoire et la coagulation laser des vaisseaux sanguins [34]. Grâce à la combinaison unique de son optique et de ses propriétés mécaniques, le saphir est l'un des matériaux les plus prometteurs pour les applications chirurgicales (Bistouris). De plus, les lames en saphir ont un faible coefficient de frottement, une plus grande stabilité de l'arête de coupe et, par conséquent, une durée de vie plus longue. Ils sont capables de résister à la stérilisation répétée de n'importe quel type sans risque de changer la géométrie d'un scalpel et la netteté de son tranchant [35]. L'utilisation d'un scalpel en saphir exclut une possibilité de toute contamination des tissus par des traces de métaux à la suite d'une intervention chirurgicale. Ainsi, il réduit l'inflammation des tissus et accélère la cicatrisation des plaies avec moins de cicatrices. De plus, ils sont beaucoup moins chers que ceux en diamant et ne sont pas limités en taille [36]. Le scalpel en saphir décrit possède des avancées significatives par rapport aux instruments médicaux standard et semble être technologiquement fiable. Néanmoins, jusqu'à présent, il n'était appliqué que pour les travaux avec des fantômes tissulaires, des tissus ex vivo et des modèles murins in vivo dans des conditions de laboratoire. Il faudrait donc du temps pour transférer cet instrument médical de haute technologie dans une pratique clinique.

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b) Canaux aiguilles en saphir pour thérapie laser interstitielle :

Une autre application médicale des cristaux saphir en forme des canaux aiguilles est la thérapie laser interstitielle (Figure 9). La capacité du rayonnement laser à exciter efficacement les réactions photochimiques et pour réchauffer les tissus est utilisé en médecine moderne pour le traitement des tumeurs malignes. De nos jours, les plus prometteurs sont la thérapie photodynamique (TPD) [38] et la thérapie interstitielle au laser thérapie thermique (LITT) [39]. L'irradiation des tumeurs sous-cutanées et profondes nécessite l’utilisation de fibres optiques, qui supportent la chaleur et résistent à un échauffement prolongé. Les capillaires en saphir permettent à la fois en protégeant les fibres contre les interactions avec le sang et les tissus, et la génération des distributions requises de la lumière et des champs thermiques dans le volume des tissus entourant la pointe de l'aiguille. Les aiguilles de saphir restent stables pendant toute la durée du processus d'irradiation. Ils sont utilisés pour PDT, hyperthermie laser, LITT, et ablation de tumeurs de divers organes. Les irradiateurs à base de saphir permettent d'améliorer la thérapie optique et la chirurgie des tumeurs hypodermiques des organes internes, ainsi qu'en combinant différents régimes d'action laser à l'aide d'un seul irradiateur [40].

Les aiguilles saphir ont déjà trouvé leurs applications en thérapie laser de tumeurs malignes, qui sont largement utilisées dans un certain nombre de cliniques médicales.

Figure 9: Schéma d'exposition d'un tissu à un rayonnement laser délivré par l'aiguille capillaire saphir.

c) Applicateurs en saphir pour la commande optique assistée par laser cryochirurgie

Les instruments médicaux cryoapplicateurs (Figure 10) sont basés sur des cristaux saphir et représentent un progrès significatif de la cryochirurgie moderne. La cryochirurgie est une méthode de traitement chirurgical qui permet de détruire les tissus indésirables par leur congélation. Les développements futurs dans le domaine des cryoapplicateurs en saphir permettraient d’envisager et de combiner la cryochirurgie avec diverses techniques optiques de diagnostic tissulaire en temps réel, comme la détection basée sur la diffusion élastique de la

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lumière, spectroscopie de fluorescence, tomographie optique cohérente, et spectroscopie pulsée THz. [41]. Jusqu'à présent, les gobelets en saphir décrits ont été utilisés uniquement pour le travail avec des tissus fantômes et des tissus ex vivo ; ainsi, leurs tests impliquant l'utilisation de modèles de souris (ou de rats) in vivo et même de patients nécessiterait beaucoup de temps, de même que des efforts de recherche et d'ingénierie. Néanmoins, les avantages des cryoapplicateurs en saphir par rapport aux instruments standard de la cryochirurgie ne vous font pas perdre de vue les avantages qu'ils trouveraient leurs applications dans les différentes branches des médicaments.

Figure 10: Un cryoapplicateur en saphir pour la destruction des tissus assisté par un contrôle laser et un diagnostic optique. [42].

a) une photo de l'applicateur à glace saphir utilisé pour détruire le tissu hépatique. b) une photo de l'applicateur en saphir du type à immersion.

d) Neuroprobe saphir pour le diagnostic optique, l'aspiration et la coagulation des tissus

Les neuroprobes de contact à base de cristaux du saphir (Figure 11), sont conçus pour : - diagnostic optique peropératoire des tumeurs cérébrales.

- aspiration de tumeurs cérébrales.

- coagulation des vaisseaux sanguins voisins.

Une différenciation peropératoire précise et rapide entre tissus cérébraux malins et intacts, la détection des marges tumorales et la résection totale brute de la tumeur sont en corrélation directe avec l'amélioration de survie des patients et de leur qualité de vie. L'absence d'instruments efficaces de neurodiagnostic peropératoire réduit l'efficacité de l'ablation des

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tumeurs cérébrales, un tissu malin invasif et même des cellules malignes séparées restent souvent non excisées, ce qui entraîne une récidive de la maladie. Afin d'atténuer les inconvénients énumérés et de mettre au point de nouveaux instruments de neurochirurgie de haute technologie qui combinent le diagnostic, la thérapie, la destruction et l'ablation des tissus dans un seul outil, caractérisé par une sensibilité, une spécificité et une performance améliorées, une sonde de contact portative à base de saphir a été proposée.

Cette neuroprobe a été appliquée avec succès dans une clinique pour l'ablation d'un gliome malin du cerveau avec l'aide d'un diagnostic peropératoire par fluorescence exogène. Il aide le chirurgien à déterminer les marges de malignité et enlever les parties infectées du cerveau. Les tumeurs sont sûres et efficaces, tandis que l'ablation des tissus intacts et des structures critiques du cerveau est évitée. De plus, le saphir neuroprobe est appliqué à la fin de l'intervention chirurgicale afin de suivre l'évolution de l'infection et retirer les tissus et cellules malignes résiduels. La neuroprobe en saphir permet de fonctionner avec presque tous les types de systèmes à base de fibres optiques pour le diagnostic et l'exposition optiques, puisqu'elle est transparente aux ondes électromagnétiques dans une large gamme spectrale.

Le saphir sert simultanément de support à la neuroprobe portative construction. Il permet de protéger les fibres optiques internes en quartz, éliminant ainsi la nécessité de leur stérilisation. L'extrémité de la neuroprobe en saphir peut avoir une forme spécifique en fonction du diagnostic particulier, l'exposition, et l'enlèvement de tissus [43].

L'utilisation d'outils de neurochirurgie saphir optiquement transparents ouvre la voie à la neurochirurgie de multiples possibilités de les intégrer dans un dispositif neurochirurgical pour IRM peropératoire [44].

Figure 11: Une neuroprobe en saphir portative pour le diagnostic et l'aspiration des tissus malins du cerveau associé à la coagulation des vaisseaux sanguins proches du couché :

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b) une photo de l'application clinique de la sonde neurologique pour l'ablation du gliome cérébral humain assistée par un diagnostic par fluorescence exogène.

c) Schéma de la neuroprobe portative en saphir pour le diagnostic et l'aspiration de tumeurs cérébrales malignes combiné à la coagulation des vaisseaux sanguins avoisinants.