rapport d'activités 2003-2008 - RQMP

Ingénierie d’interface pour des applications biomédicales
Chercheurs : Jolanta E. Klemberg-Sapieha, Ludvik Martinu et Subhash Gujrathi
Collaborateurs : J. Szpunar (U. McGill); O. Zabeida (Polytechnique); E. Park, K. Taylor et K. Casey (Medtronic);
C. Roberges, K. Shingel et M.-P.Faure (Biortificial Gel Technologies Inc.)
Étudiants et stagiaires postdoctoraux : P. Amirault, M. Azzi, D. Escaich, M. Paquette et R. Snyders
Contact : Jolanta Klemberg-Sapieha; jsapieha@polymtl.ca; www.polymtl.ca/larfis
L’ingénierie de surface à l’aide de procédés plasma a permis d’améliorer la performance de dispositifs
biomédicaux, plus spécifiquement pour les deux applications suivantes : 1. Revêtements tribologiques
nanostructurés de carbone amorphe hydrogéné (simili-diamant – DLC) sur des substrats métalliques
offrant une combinaison de propriétés telles une haute résistance à l’usure et à la corrosion,
biocompatibilité et propriétés électriques sur mesure. Ces couches trouvent des applications dans les
implants, prothèses et instruments biomédicaux; 2. Hydrogels, à base de protéines et d’eau, appliqués
sur des pellicules de plastique pour produits de soin de santé (pansements, tendons artificiels, milieux
de cultures cellulaires et transport), biocapteurs et cosmétiques (par ex. masques d’hydratation).
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1. Revêtements de carbone simili-diamant (DLC)
nano-structurés pour des applications biomédicales
Plusieurs applications orthopédiques (joints artificiels, prothèses
de hanche et de genoux) comportent des surfaces d’appui
sujettes à l’usure. Aussi, puisque les surfaces sont submergées
dans des fluides corporels, la gestion de la corrosion devient
importante. Des particules peuvent se détacher de la surface
des prothèses et générer des réactions inflammatoires, provoquant
la libération des médiateurs des macrophages. Nous
avons étudié des couches de DLC pures, ou dopées à l’échelle
atomique ou par des nanoparticules, pour obtenir une combinaison
optimale des propriétés recherchées.
Figure 1. Exemples de joints de replacement.
Le problème principal associé à ce type d’application est
l’adhésion entre les revêtements durs de DLC et le substrat
ductile métallique. Nous avons étudié plus spécifiquement
l’effet de la modification des interfaces entre les matériaux
en comparant deux approches : (i) Nitruration du métal dans
une décharge radiofréquentielle pour renforcer le lien métal-
DLC en contrôlant le gradient de dureté et (ii) Fabrication de
couches interfaciales résultant en de meilleures performances.
Simultanément, nous avons conçu une technique de test de la
tribo-corrosion in situ en temps réel, qui combine des mesures
instantanées de l’usure et de la corrosion (courant de corrosion
et potentiel de piqûre) en se servant d’un glissage réciproque
dans une solution Ringer simulant l’environnement fluide
du corps humain. L’application de couches intermédiaires sur
des surfaces d’acier inoxydable et d’alliages de titane a permis
au système de couches de bien résister aux tests de tribocorrosion.
Nous avons démontré que la couche interfaciale
diminue de façon significative le transfert de charges entre le
substrat et l’électrolyte, agissant comme barrière à la corrosion,
résultant en une valeur de 2 GW.cm 2 .
2. Mécanisme d’adhésion entre les hydrogels à base
de protéines (HG) et un polymère traité par plasma
L’intérêt de développer de nouveaux HG est dû à leur combinaison
unique de propriétés telles la biocompatibilité, la
perméabilité et l’hydrophobicité. Des HGs hybrides, à base
de polymères synthétiques et naturels, ou « matériaux polymériques
bioartificiels », ont récemment été développés avec
succès. La fragilité des HGs comportant plus de 96 % d’eau
limite leurs applications. C’est pourquoi, afin de faciliter leur
manipulation et utilisation, ils doivent être fixés à un support
flexible, généralement constitué d’une pellicule polymérique,
par exemple le poly-propylène (PP).
Figure 2. Application et manipulation de l’hydrogel sans et avec support
polymérique.
Un traitement par plasma azoté à basse pression, augmente de
25 fois de la force d’adhésion par rapport à au PP non-traité.
La dérivatisation chimique combinée à l’analyse XPS ont clairement
démontré le rôle des groupes d’amine primaire (C-NH 2)
et d’amide (N-C = O) dans le processus d’adhésion entre le
PP/N 2 et le HG. Des tests mécaniques dynamiques sur l’HG
ont permis de déterminer la structure moléculaire et la taille des
pores. Cet environnement très poreux est propice au dopage
de l’HG par des médicaments et à la livraison de drogues.
Références
• “Tribo-Mechanical Properties of DLC Coatings Deposited on Nitrided Biomedical
Stainless Steel”, R. Snyders, E. Bousser, P. Amireault, J.E. Klemberg-Sapieha,
E. Park, K. Taylor, K. Casey et L. Martinu,
Plasma Process. Polym. 4, S1 (2007).
• “Mechanism of adhesion between protein-based hydrogels and plasma treated
polypropylene”, R. Snyders, O. Zabeida, C. Roberges, K.I. Shingel, M.-P. Faure,
L. Martinu et J.E. Klemberg-Sapieha,
Surface Science 601, 112 (2007).