Biomatériaux : Définition, Classification & Applications

Biomatériaux
Dénion
• Biomatériau : Matériau non viable intégré dans un disposif médical, desné à intéragir avec
des systèmes biologiques (ssus, cellules).
• Biocompabilité : Capacité d’un matériau à produire une réponse appropriée de l’hôte dans
une applicaon spécique (sans eets indésirables)
• Biodégradabilité : Matériau qui se décompose sous l’acon d’organismes biologiques
(bactéries, champignons) sous condions favorables (humidité, température).
• Biorésorbable : Matériau pouvant se résorber de façon naturelle (ex. par circulaon sanguine).
Échelles Clés
Les biomatériaux sont conçus pour interagir avec le corps humain sur diérentes échelles de temps et
de longueur, en foncon de leur rôle et de leurs propriétés.
• Temps :
o Long terme (8-10 ans) : Prothèses cardiaques, hanches.
o Court terme (<1 an) : Régénéraon ssulaire, thérapie cellulaire.
o Très court terme (heures-jours) : Biocapteurs (détecon d’analytes).
• Longueur :
Les propriétés des matériaux changent radicalement selon l'échelle, gouvernées par des lois
physiques diérentes :
• Nanométrique (nm) : Dominé par les forces intermoléculaires (Van der Waals, liaisons H,
électrostaques).
=> La chimie de surface domine avec les force à courte portée
=> Le principe de biocompabilité né à cee échelle et est liée à l’inere chimique,
l’hydrophobicité, et la reconnaissance supramoléculaire
• Micrométrique (μm) : ransion Structure → Foncon
L'auto-assemblage crée des morphologies supramoléculaires (ex. : brilles, pores, cristaux
liquides). Ces structures μm contrôlent :
-Porosité → Diusion des nutriments, migraon cellulaire. -
-Connecvité → Transfert de contraintes mécaniques.
• Millimétrique (mm) : Macro : Émergence des Propriétés Mécaniques
La résistance à la tracon, l'élascité, ou la ténacité dépendent de :
-La densité des liaisons nm -
La géométrie de la microstructure μm

Généraons
L'évoluon des biomatériaux suit une progression en trois grandes généraons, chacune apportant des
amélioraons signicaves en termes de biocompabilité, interacon biologique et fonconnalité.
1ʳᵉ Généraon :
o Objecf : Bio-inere (minimiser les réacons biologiques) en ulisant des matériaux
inertes, qui ne provoquent pas de réponse immunitaire ou inammatoire.
o Exemples : Prothèses métalliques, implants stables.
2ᵉ Généraon :
o Objecf : Bioacvité : Introduire des matériaux capables d’interagir avec
l’environnement biologique pour améliorer l’intégraon et la fonconnalité.
o Exemples : Matériaux résorbables, libéraon de médicaments.
3ᵉ Généraon :
o Objecf : Régénéraon ssulaire fonconnelle : Concevoir des biomatériaux capables
de smuler la régénéraon des ssus et de s’intégrer parfaitement dans l’organisme
o Stratégies : Signalisaon moléculaire, intégraon cellulaire (ex. : échafaudages
intelligents).
o Exemples :Biomatériaux imprimés en 3D , hydrogels bioacfs
➔Les ouls de développement des biomatériaux servent à concevoir, fabriquer et opmiser des
matériaux capables d’interagir avec le corps humain de manière sûre et ecace. Leur objecf principal
est de résoudre des dés médicaux spéciques en combinant chimie, biologie, et ingénierie.
Classicaon et Applicaons
Les biomatériaux couvrent quatre grandes familles de matériaux, chacune adaptée à des besoins
spéciques :
- Les métaux et alliages
- Les céramiques et verres
- Les polymères synthéques
- Les biomatériaux naturels
a) Métaux et Alliages
Matériau
Applications
Propriétés clés
Titane (Ti)
Prothèses, implants, stents coronariens
Biocompatibilité, faible densité
Alliages Co-Cr
Joints, fixations osseuses
Haute résistance mécanique
Acier inoxydable
Valves cardiaques, électrodes
Risque de corrosion/réactions immunitaires

Matériau
Applications
Propriétés clés
Argent (Ag)
Fils de pacemaker, sutures
-
Or (Au)
Implants dentaires
-
b) Céramiques et Verres
Matériau
Applications
Propriétés clés
Alumine (Al₂O₃)
Implants de hanche/dentaires
Biocompabilité avec l’os
Zircone (ZrO₂)
Implants de hanche
Inere chimique
Phosphate de calcium
Grees osseuses, revêtements
Structure proche de l’os (apate)
Sulfate de calcium
Grees osseuses synthéques
Fragilité
Verre (SiO₂)
Matériaux dentaires
-
c) Polymères Synthéques
Matériau
Applications
Propriétés clés
Silicone (PDMS)
Implants mammaires, lenlles
Flexibilité, hydrophobie
Polyéthylène (PE)
Implants de hanche/genou
Faible coût, résistance mécanique
PMMA (Plexiglas)
Lenlles intraoculaires, ciment osseux
Transparence, rigidité
PHEMA
Lenlles de contact, membranes
Hydrogel (rétenon d’eau)
Polylacde
Échafaudages ssulaires
Résorbable
Polymères adaptés aux applicaons biomédicales en raison de la grande diversité de leurs propriétés:- Flexibles
ou rigides - Résistance ou adhérence aux protéines - Biodégradables ou permanents- Facilité de mise en œuvre
et réculaon- Copolymérisaon (séparaon de phase, amphiphilicité)- Formes complexes via auto-assemblage
: hydrogels, micelles, etc.
Inconvénients par rapport aux métaux / céramiques: Moins résistants (mécaniquement et chimiquement),
peuvent se déformer avec le temps, se détériorer lors de la stérilisaon, se dégrader dans le corps
(éventuellement en dérivés toxiques)
d) Biomatériaux Naturels

Matériau
Applications
Propriétés clés
Collagène
Ingénierie ssulaire, cicatrisaon
Favorise la croissance cellulaire
Soie d’araignée
Réparaon de nerfs, grees vasculaires
Résistance mécanique élevée
Chine/Chitosan
Pansements, vectorisaon de médicaments
Cicatrisant, biodégradable
Alginate
Encapsulaon cellulaire, hydrogels
Gélicaon (via Ca²⁺)
Acide hyaluronique
Lubriant ophtalmique/orthopédique
Viscosité élevée
Matériaux obtenus via organisme ou plante A base de biomolécules:- protéines (polypepdes)- ARN,
ADN- polysaccharides (cellulose) Produits de fermentaon : ex. polymères d’acide lacque Avantages:
Biocompabilité, reconnaissance biomoléculaire Inconvénients:-Diculté de producon: extracon,
puricaon coût élevé-Complexité des structures (hybrides), variabilité dans propriétés
Echelle de longueur et type de biomatériaux
A l’échelle micrométrique / milimétrique, on retrouve les composites :
Un matériau composite est un assemblage (ou mélange hétérogène) , d'au moins
deux composants non miscibles (séparés par une interface). Le résultat possède
des propriétés avantageuses que les composants seuls ne possèdent pas.
Avantages :
- adaptés aux biomatériaux qui nécessitent une combinaison de propriétés
- amélioraon des performances par rapport aux biomatériaux réalisés à parr d’un seul
composant (=synergie).
Inconvénients :risque de dispersion d’une phase ou faible interacon entre les deux phases
(réducon des performances mécaniques)
Leur propriétés dépend des propriétés intrinsèques à chaque matériaux (mais meilleures que les
propriétés unique d’un seul composant) . Néanmoins, les propriétés des composites varie avec la
géométrie et la distribuon des composants.
A l’échelle micrométrique, on retrouve les microstructures, les porosités. Parmi les
nano-matériaux, on retrouve les stents (implants que l’on place dans les artères des
paents et qui se déploient pour faciliter la circulaon sanguine) fait de Al2O3 – ZrO2
ou les membranes poreuses. Une des fct est l’ incorporaon de cellules au sein d’une
membrane nanoporeuse (~20 nm) semi-perméable et laisse passer l’insuline et
substances nutrives mais pas les ancorps pour éviter tout rejets

A l’échelle nanométrique, il y a l’auto-assemblage. L’auto-assemblage est le processus réversible
d’organisaon autonome et spontanné de composants (molécules ou structures chimiques)
relavement simples forment des arrangements à plus grande échelle. => via des interacons
intermoléculaires non covalentes.
Un des matériaux fait apt d’auto-assemblage sont les hydrogels (Réseaux de molécules
(ex: polymères) pouvant absorber jusqu’à mille fois leur poids sec en eau (ou soluon
aqueuse) sans perte de leur structure 3D grâce à la réculaon.). Ils sont largement
ulisés dans les applicaons biomédicales (encapsulaon, reparaon de carllage,
implants porreux…).
=>Première applicaon (1960) : lenlles de contacts (ex. PHEMA - poly(2-hydroxy-ethylméthacrylate)
Leur teneur en eau détermine ses propriétés physico-chimiques. On parle de taux de gonement : Taux
de gonement = (Wi− Wo) /Wo où Wo = poids sec et Wi = poids mouillé
Les hydrogels peuvent être classé selon :
- Le type de liens présents
- La nature des polymères
- La nature des groupements latéraux
- Le type de réculaon :
physique (LNC : force ioniques, liaison hydrogels ou interacons hydrophobes
➔ Réversibilité et réacons aux smuli
➔Methode : liens H, interacons ioniques, intéracons hydrophobes
chimique (LCC)
➔ Permanent et réseau structuré
➔Méthodes : irradiaons des groupes photo-polymérisables, polymérisaon, réacon de
condensao,…
Les hydrogels de faible poids moléculaire (LMWH) : matériaux souples. Ces gels sont composés de
petes molécules organiques qui peuvent s'auto-assembler dans l'eau, formant des structures de
réseau en 3D.
Les hydrogels peuvent aussi être fait apt de polypedes (hélices alpha ou feuille beta) qui
s’assemblent par des liens H. L'auto-assemblage d'un pepde amphiphile (= enté moléculaire qui
présente une double anité, à la fois hydrophile et lipophile) de faible poids moléculaire et d'un
polyélectrolyte p-conjugué soluble dans l’eau.
Les hydrogels peuvent aussi être fait de polymères biocompables thermosensibles en milieux
aqueux : en-dessous de 32-33°C : hydrophile, goné d’eau Au-dessus de 32-33°C: hydrophobe (expulse
l’eau) ➔ hydrogels intelligents
Intéracons biomatériaux – organismes vivants => biomatériaux acfs
Lorsqu’un biomatériau est implanté, il entre immédiatement en contact avec le sang. Les protéines
sanguines déclenchent alors une cascade de réacons biologiques visant à restaurer l’homéostasie. La
cicatrisaon suit quatre phases : hémostase, inammaon, proliféraon et remodelage. Ces étapes
peuvent entraîner l’encapsulaon ou l’intégraon du biomatériau, selon sa nature.