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). 88 | <strong>RQMP</strong> | projets | Propriétés technologiques des matériaux 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 <strong>rapport</strong> 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).
Le <strong>RQMP</strong> est un Regroupement stratégique reconnu et subventionné par le Fonds québécois de la recherche sur la nature et les technologies (FQRNT), et par les Universités de Montréal, de Sherbrooke et McGill, ainsi que par l’École Polytechnique de Montréal.
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