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Biomatériaux polymères pour applications médicales

Les biomatériaux polymères représentent actuellement une alternative pour la fabrication de fournitures médicales et les traitements de diverses maladies osseuses.

Dans le cadre des activités de la XXVe Semaine Nationale de la Science et de la Technologie (Sncyt), Catastrophes naturelles: Tremblements de terre et ouragans à Coahuila, le Centre de Recherche en Chimie Appliquée (CIQA) a présenté la conférence Biomatériaux polymères pour applications médicales, en référence à un projet de recherche dirigé par le dr Graciela Elizabeth Morales Balado, chercheuse du Département de Synthèse des Polymères du CIQA; Jesús Heriberto Rodríguez Tobias, diplômé du doctorat en technologie des polymères de l’institution, et avec les conseils du Dr Karen Lozano, de l’Université du Texas Rio Grande Valley (UTRGV).

Dans une interview pour l’Agence d’information Conacyt, Victoria María Padilla Gainza, collaboratrice du projet et doctorante en technologie des polymères au CIQA, explique l’importance des biomatériaux polymères, leur utilisation dans le secteur médical aujourd’hui et les recherches qu’ils développent à cet égard au CIQA.

Agence d’information Conacyt (AIC): Qu’est-ce qu’un biomatériau?

Victoria María Padilla Gainza( VMPG): Un biomatériau est un matériau synthétique ou naturel utilisé dans un dispositif médical qui a pour but d’interagir avec un système biologique.

AIC: Quelle est la particularité d’un biomatériau polymère?

VMPG: Quand on parle de biomatériau polymère, c’est que le matériau est fabriqué à base d’une macromolécule, qui est composée d’unités répétitives et s’appelle polymère. Il s’agit de la plus grande classe de biomatériaux et peut être utilisé dans des applications liées aux tissus durs ou mous et comme agents de libération de médicaments.

Peut être dérivé de sources naturelles ou synthétiques; entre le naturel, nous cellulose, alginate de sodium, caoutchouc naturel, collagène, héparine, pour n’en nommer que quelques-uns; en ce qui concerne le synthétique, il existe une grande variété, par exemple, silicone, polypropylène, polyéthylène, polyméthacrylate de méthyle (PMMA), acide lactique poliacido, polyéthylène glycol, entre autres.

AIC: Pourquoi est-il important de faire des recherches sur ce sujet?

VMPG: C’est important car dans le monde entier, il existe une grande variété de maladies dégénératives (diabète, ostéoporose, arthrose, entre autres) qui nécessitent des alternatives médicales pour être traitées. De plus, les matériaux polymères offrent une excellente option pour générer des dispositifs présentant les bonnes caractéristiques pour les applications dans le domaine médical.

AIC: Dans quelles applications médicales les biomatériaux polymères sont-ils utilisés?

VMPG: Dans le cas de sources naturelles, telles que la cellulose, il est utilisé dans les membranes pour la purification du sang dans les processus de dialyse; l’alginate de sodium est un polysaccharide dérivé d’algues, et son utilisation dans les pansements cicatrisants a été trouvée.

Le caoutchouc naturel provient de la sève de certaines espèces d’arbres et est largement utilisé dans l’industrie des pneus et des pneus isolants, il est bien connu pour ses grandes propriétés élastiques et sa résistance aux substances alcalines et basiques. Dans le domaine biomédical, il est largement utilisé dans la fabrication de gants chirurgicaux.

Il existe d’autres biomatériaux dérivés de sources animales, tels que le collagène, qui est la protéine la plus abondante dans le corps humain, car elle se trouve principalement dans les tissus cutanés, osseux et musculaires. Il est utilisé pour améliorer la souplesse de la peau et dans les implants dentaires. Il existe également de l’héparine, une substance anticoagulante présente dans presque tous les tissus du corps, en particulier dans le foie, les poumons et les muscles, et utilisée pour la fabrication de tubes de prélèvement sanguin.

En ce qui concerne les sources de polymères synthétiques, le silicone a de grandes propriétés de flexibilité et de résistance, il est utilisé dans les articulations des doigts, dans les valves cardiaques, dans les implants mammaires; également pour la reconstruction du menton, du nez, de l’oreille et pour la fabrication de cathéters et de tubes de drainage. Le polyméthacrylate de méthyle est un autre polymère synthétique utilisé pour fabriquer des lentilles intraoculaires, des lentilles de contact dures.

De la même famille de méthacrylates, on trouve le poly (2-hydroxyéthylméthacrylate) (PHEMA), particulièrement utilisé dans les lentilles de contact souples. Le téflon est utilisé dans la fabrication de filtres et de cathéters, et sous sa forme avec des micropores dans les prothèses vasculaires. Le nylon, le polyéthylène et le poly acide lactique sont largement utilisés dans les sutures chirurgicales. Le polyéthylène téréphtalate, connu sous le nom de PET pour son acronyme en anglais, sous sa forme de tissu tissé est utilisé dans les implants vasculaires, la fixation d’implants, la réparation de hernies et la reconstruction ligamentaire.

AIC: Quel projet développez-vous actuellement sur le sujet en doctorat?

VMPG: Nous développons des matériaux à base de fibres polymères qui ont des propriétés antibactériennes et bioactives, grâce à une technique de filature par centrifugation, et évaluons son utilisation potentielle comme échafaudage pour la régénération du tissu osseux.

L’oxyde de zinc est utilisé comme agent antibactérien, car il a des propriétés antibactériennes prouvées dans différentes souches, c’est également un matériau économique à produire et a un contrôle morphologique très facile. Une autre caractéristique importante est qu’il possède une certaine toxicité sélective pour les bactéries avec un effet réduit sur les cellules humaines.

L’hydroxyapatite est utilisée comme agent bioactif, qui est l’un des principaux composants de l’os, et a une influence sur divers processus biologiques qui aident à la régénération du tissu osseux.

Les polymères utilisés sont des biopolyesters, qui sont biodégradables et ont montré des preuves de biocompatibilité dans divers tissus et cellules.

Enfin, la technique de filage par centrifugation (Forcespinning ® ) utilisée présente des avantages significatifs par rapport aux autres techniques utilisées pour la production de fibres. L’un des avantages les plus significatifs est sa vitesse de production, qui permet d’obtenir des matériaux de dimensions considérables en quelques minutes seulement.

AIC: Quels résultats avez-vous obtenus jusqu’à présent?

VMPG: Nous avons obtenu de très bons résultats antibactériens, nous travaillons avec deux types de polymères, l’un est le polyhydroxybutyrate (PHB) et l’autre est le poly acide lactique (PLA). Avec le polyhydroxybutyrate, nous avons obtenu de très bons résultats antibactériens avec une faible concentration d’oxyde de zinc; avec des concentrations d’un pour cent, nous avons une inhibition de près de 100% de la croissance de bactéries d’intérêt clinique telles que Staphylococcus aureus (S. aureus) et Escherichia coli (E. coli).

Dans le cas du PLA, nous avons dû augmenter un peu la concentration d’oxyde de zinc pour obtenir une inhibition supérieure à 97%, mais nous avons obtenu des conditions qui permettent aux matériaux d’avoir une activité antimicrobienne.

En ce qui concerne la biocompatibilité des matériaux, lorsque nous parlons de viabilité cellulaire, nous nous référons au métabolisme des cellules; par exemple, si nous avons un pourcentage élevé de viabilité, cela signifie que les cellules sont en bonne santé. En détail, c’est ce qui est mesuré, le matériau est amené à interagir avec les cellules dans un milieu biologique et des mesures d’absorbance sont effectuées, à l’aide d’un indicateur d’activité métabolique, représenté par un pourcentage appelé viabilité cellulaire. Plus la viabilité cellulaire est élevée, nous disons que les cellules sont saines, c’est-à-dire que le matériau n’a pas altéré de manière significative le développement des cellules.

En ce qui concerne les tests de viabilité cellulaire, le PLA a favorisé une meilleure réponse cellulaire que le PHB, avec des valeurs supérieures à 60%. Ce qui traduit un résultat prometteur pour ce type d’applications.

AIC: Quel est l’avenir du projet?

VMPG: Dans ce cas, nous avons développé ces résultats en utilisant les nanoparticules séparément. Par exemple, dans le cas de l’activité antimicrobienne, nous l’avons fait uniquement avec des nanoparticules d’oxyde de zinc, les études biologiques que nous avons faites avec de l’hydroxyapatite, mais dans cette troisième phase, nous faisons les études avec le matériau ternaire qui est la combinaison du polymère avec les deux nanoparticules. C’est donc ce que nous développons à ce stade et nous allons voir ce qui se passe en combinant les deux nanoparticules dans les conditions qui nous ont donné les meilleurs résultats, en faisant les évaluations séparément, nous voulons voir ce qui se passe, si elles ont encore de bonnes propriétés antibactériennes et bioactives.

Le développement d’un dispositif médical passe par plusieurs étapes d’expérimentation. Dans la proposition du projet de thèse, en pensant de manière optimiste, la possibilité de mener des tests in vivo du matériel conçu a été soulevée. Cependant, les étapes d’expérimentation avant la réalisation des tests in vivo prennent beaucoup de temps et le temps s’écoule très rapidement. Dans le temps restant du doctorat, qui est d’un an, nous ne pourrons pas amener l’étude à ce niveau, mais nous pourrons avoir les résultats in vitro qui pourraient très bien être le début de nouvelles recherches et ensuite amener le dispositif à un niveau plus avancé.

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