Propriétés des biomatériaux

Plusieurs études précliniques et cliniques ont testés des diverses matrices (biomatériaux) in vitro et in vivo. La nature et la forme des biomatériaux permettent leur classification en synthétique ou naturelle (selon leur nature, protéique ou polysaccharidique) ou liquide visqueux, massique, massique poreuse, hydrogel et mousse (selon leur forme) [172]. En IT, des différents types de biomatériaux sont utilisés selon le domaine d‘application, prenant par exemple l‘IT du cartilage recrute un panel des biomatériaux de différentes natures qui

Domaines Applications

Cardiovasculaire Valves cardiaques, matériel pour circulation extra-corporelle, cœur artificiel, assistance ventriculaire, stimulateurs cardiaques, prothèses et endoprothèses (stents) vasculaires, matériels pour angioplastie luminale, cathéters

Chirurgie plastique et reconstructive Matériaux et implants pour chirurgie esthétique, drains de chirurgie, colles tissulaires, peau artificielle, sutures résorbables

Chirurgie orthopédique Prothèses articulaires (hanche, coude, genou, poignet), orthèses, ligaments et tendons artificiels, cartilage, matériel de remplacement ou comblement osseux, chirurgie du rachis, réparation de fractures (vis, plaques, clous, broches)

Endocrinologie Pancréas artificiel, pompes portables et implantables

Odontologie et stomatologie Matériaux de restauration, comblement dentaire et osseux, traitements prophylactiques, orthodontie, traitements du parodonte et de la pulpe, implants, reconstruction maxillo-faciale Ophtalmologie Implants, lentilles, coussinets de récupération, produits visqueux de chambre postérieure Radiologie et imagerie Produits de contraste, produits pour embolisation, produits pour radiologie interventionelle Urologie et néphrologie Dialyseurs, poches, cathéters et tubulures pour dialyse, rein artificiel portable, prothèses,

matériaux pour traitement de l‘incontinence

Autres ou applicables à plusieurs domaines Systèmes de libération contrôlée de médicaments ou de gènes, biocapteurs, encapsulation cellulaire, néo-intestin

48

peuvent être associés entre eux ou modifiés chimiquement ou structurellement pour former des matrices mixtes [173] (tableau 6).

Tableau 6: Différents types de biomatériaux utilisés en ingénierie tissulaire du cartilage [5].

Matrices à base de protéines Matrices à base de polymères polysaccharidiques

Matrices à base de polymères artificiels

Collagène Chitosane Acide polyglycolique Laminine (Matrigel^TM) cellulose Acide polylactique

Fibrine Alginate Acide polybutyrique Gélatine Agarose Phosphates de calcium

Acide hyaluronique polyéthyleméthacrylate Polyuréthane

Téflon® (polytetrafluoroéthylène) Dacron® (polyéthylène téréphtalate)

Fibres de carbone

Idéalement, Les biomatériaux doivent satisfaire plusieurs propriétés avant toute évaluation clinique [5]:

- La biocompatibilité

- La bioactivité qui lui permet de libérer de morphogènes ou de facteurs de croissance. - La biodégradabilité pour s‘intégrer dans les processus physiologiques de remodelage

tissulaire.

- La prévention des réactions inflammatoires et immunologiques qui peuvent être suite à son implantation, en vue de préserver le tissu receveur.

- L‘assurance d‘un environnement tridimensionnel favorable à l‘adhésion, la prolifération et la différenciation cellulaire

49

- La présence d‘une certaine porosité pour permettre la migration des cellules et la diffusion des nutriments et des molécules.

- La capacité d‘adhérer aux tissus, la résistance et la conservation de son intégrité mécanique pour éviter son écoulement ou sa fuite après implantation.

- Le pouvoir d‘être stérilisé (sans affecter ses propriétés fonctionnelles) afin d‘éviter les contaminations par des agents pathogènes.

- La possession d‘une forme et d‘une taille adaptées à la forme et la taille de la lésion. Le tableau 7 illustre certaines propriétés intrinsèques avec leur définition que chaque biomatériau utilisé doit néanmoins les présenter.

Tableau 7: Quelques propriétés et définitions des biomatériaux [174].

Propriétés Définition

Biocompatibilité Capacité à provoquer une réponse appropriée de l‘organisme hôte dans une application spécifique Cytocompatibilité Capacité à conserver la viabilité des cellules

Biofonctionnalité Capacité à remplir in vivo les fonctions biologiques auxquelles la matrice est destinée

Injectabilité Biomatériau injectable

Perméabilité Diffusion des nutriments et des déchets Biodégradabilité Dégradation du biomatériau au cours du temps

En plus, le biomatériau idéal doit être non-immunogènes, manufacturé dans une grande variété de forme et de taille, facilement accessible, ainsi posséder une autorisation de mise sur le marché pour faciliter l‘application chez l‘homme de concepts démontrés expérimentalement [11].

Plusieurs travaux visent à l‘optimisation principalement de la biocompatibilité, la cinétique de dégradation et des propriétés mécaniques des biomatériaux. Cette optimisation s‘effectue en prenant en considération quelques variables :

50

- le poids moléculaire des molécules constitutives du biomatériau en premier lieu : une réaction inflammatoire peut être induite par un matériau de faible poids moléculaire alors qu‘un même matériau de poids moléculaire élevé est bien toléré [175].

- La porosité et l‘élasticité des biomatériaux qui sont fortement impliqués dans les processus d‘adhésion et de différenciation cellulaires.

- La nature des biomatériaux [176].

Le rôle d‘une matrice peut être résumé par le fait de diriger à la finla régénération tissulaire à travers l‘assurance d‘un support aux cellules d‘un part, et la libération des signaux favorisant l‘intégration, la différenciation, la survie, la croissance cellulaires, et l‘angiogenèse. On distingue deux types de matrices, les matrices synthétiques (artificielles) et les matrices naturelles (biologiques) [11].

Alors, la science des biomatériaux est connu comme un outil de support cellulaire, de part que les biomatériaux représentent un environnement tridimensionnels (3D) pour favoriser la prolifération cellulaire et/ou la différenciation pour la régénération tissulaire [177]. Des facteurs mécaniques tels que la rigidité de la matrice, la nanotopographie matricielle, la microgéométrie et les forces extracellulaires influencent significativement les activités des cellules souches. En se basant sur la source de dérivation, les biomatériaux peuvent être regroupés alors sous deux classes : naturels et synthétiques. Certains des biomatériaux naturels utilisés dans l‘IT comprennent le collagène, la fibroïne de soie, l'alginate, le chitosane, la kératine et les tissus décellularisés tels que la membrane amniotique humaine dé-épithélialisée [178]. Chacun de ces deux types de biomatériaux représentent des avantages ainsi que des inconvénients selon leur application. Pour les deux classes, les avantages et les inconvénients sont résumés dans le tableau 8.

51

Tableau 8: Résumé des avantages et des inconvénients des matériaux naturels et synthétiques [179].

Avantages inconvénients

Biomatériaux naturels

- Origine biologique - Biocompatibilité

- Présence des séquences adhésives facilitant l‘adhésion et la différenciation cellulaire

- Propriétés mécaniques insuffisantes - Dégradation rapide

- Propriétés variables en fonction de la procédure d'extraction

- Risque de contamination - Coûts de production élevés

Biomatériaux synthétiques

- Propriétés mécaniques appropriées - Propriétés chimiques et mécaniques - Hautement reproductibles

- Coûts de production faibles - Réponse immunitaire faible

- Biocompatibilité faible

- Risque d'effets secondaires résultant de la biodégradation

La biodégradabilité et la nature biologiquement active sont les principaux avantages des biomatériaux naturels par rapport aux biomatériaux synthétiques. Les cellules cultivées sur des matériaux naturels révèlent une bonne réponse cellulaire avec une amélioration de la croissance et de l‘IT lors de la transplantation. L'un des principaux inconvénients des matériaux naturels est leur capacité inhérente à être contaminés par la source [180]. Les matériaux synthétiques représentent le plus grand groupe de polymères biodégradables, ils représentent des propriétés constantes et cohérentes à part du rapport surface/volume élevé de ce type, la versatilité dans la composition chimique et les propriétés biologiques qui montrent une bonne malléabilité et une bonne aptitude au traitement. Des polymères de diverses propriétés ont été utilisés pour la fabrication des matériaux destinés à différentes applications. L'un des principaux inconvénients des matériaux synthétiques est l'inflammation locale déclenchée par la libération d'acides comme sous-produits de dégradation [181]. Différentes techniques avec des architectures différentes sont utilisées pour synthétiser des matériaux a des applications biologiques ou cliniques spécifiques. La figure 26 représente quelques méthodes qui donnent l'unicité architecturale à la conception des matériaux et leurs limites en ce qui concerne les applications des CS.

52

Figure 26: Réponse cellulaire au microenvironnement biophysique [180].

Biomatériaux avec : (a) architecture fibreuse, (b) nano-sillons/crêtes, (c) rugosité de surface et des nanotopographies variables, (d) surface nanométrique, et (e) courbures concaves et convexes à l'intérieur des matériaux poreux. Ces signaux mécaniques microenvironnementaux influencent les différents comportements cellulaires.