Les p o lymères à usage biomédical

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Introduction générale
1-Les polymères et la médecine
2-Applications a-Polymères de grande diffusion
Place des thermoplastiques dans le monde
Comparaison polymères/métaux
b-Polymères à usage biomédical :
Conditions générales d’utilisation
Applications
Les trois types d’applications des macromolécules en médecine et chirurgie
Diverses catégories: classification
Dispositif médical
Autres applications….
Différentes classes de biomatériaux
1-Introduction:
principaux paramètres
dégradables/permanents
2-Polyéthylène - Polymérisation en chaine, transitions thermiques, cristallinité
3-Polypropylène - rôle de la stéréochimie
4-PVC - modes de polymérisation, plastification
5-Polystyrène
6-Polyméthacrylate de méthyle
7-Polyéthylène terephtalate - recyclabilité
8-Polyamides (nylons)- rôle de la structure
9-Autres…. ABS, Polycarbonate (PC), Acryliques, Silicones, Elastomères …
Les polymères…
260 millions de tonnes/an
8% de la consommation mondiale de pétrole
(acier : 1000 millions tonnes/an)
Chaque gramme de plastique « contient » environ un
gramme de pétrole
Un tiers des plastiques que l’on fabrique ne sert qu’une seule fois sous
forme d’emballages
…La santé…
…La santé…
Les plastiques ont sans doute sauvé des millions de vies:
Amélioration de la conservation des produits alimentaires,
Aide à la mise en place de l’irrigation agricole et des équipements de gestion des eaux usées.
D’une manière générale les polymères ne posent pas de danger pour la santé humaine. La raison en
est simple: la taille des molécules les empêche de pénétrer dans les cellules. (Mais c’est un peu plus
compliqué que ça….)
mondedurable.science-et-vie.com/2009/06/le-plastique-cest-fantastique
En règle générale, les macromolécules de synthèse, lorsqu’elles sont pures, ne sont
pas toxiques ou plus précisément sont « biocompatibles »
…Problèmes…
Implantées ou injectées dans l’organisme, les macromolécules de structure chimique
stable n’en sortent pas… Ces composés sont non biodégradables
Applications à long terme
Pour que les macromolécules sortent il faut que l’organisme les casse en petites
molécules, en général par hydrolyse, qui deviennent éliminables… Ces composés
sont biodégradables
Applications temporaires
Foie : détoxification
Filtration rénale : élimination
Et dans l’environnement…
…Dégradabilité…
Que deviennent les dispositifs médicaux non dégradables…?
Coût
Propriétés
Produits
Mise en forme
*coût relativement bas en comparaison avec du verre et des matériaux métalliques:
Coût
Sécurité
Sécurité
*Usage unique: infections hospitalières. Pb de stériliser continuellement les dispositifs
médicaux portables.
Dans les jetables en plastique, il est possible d’inclure les accessoires IV, les
respiratoires et les filtres de laboratoire, les dispositifs de diagnostique et les seaux
pour ramassage de sang, les dispositifs de séparation et les composants de dialyse, les
gants des chirurgiens, les soins de la santé à domicile, seringues jetables, les sacs de
sang et de plasma etc…
Coût
Sécurité
Propriétés Produits Mise en forme
Propriétés
*Ils apportent de nouvelles propriétés
*Ne se cassent pas, mais ils sont flexibles et résistants. Apportent des améliorations par rapport aux
métaux et au verre (ex: lunettes et lentilles où l’incorporation des plastiques dans les cercles et les lentilles a aidé à
réduire le poids et à augmenter la sécurité en général en les faisant plus résistants aux cassures).
Produits
*Les résines les plus employées en plastiques médicaux sont le chlorure de polyvinyle (PVC), le
polyéthylène, le polypropylène, le polystyrène et le PET (polyéthylène terephtalate). Produits peu coûteux
*polycarbonates, ABS, polyuréthanes, polyamides, élastomères thermoplastiques, polysulfone et
polyétheréthercétone (PEEK) : Le PEEK remplace de plus en plus le titane, la céramique et d’autres résines pour des
applications d’implants orthopédiques. Plus chers mais propriétés particulières
Mise en forme
* Moulés en configurations utiles difficiles ou impossibles à reproduire en verre ou en métal.
*Emballages en plastiques: adéquats pour des applications médicales, grâce à des propriétés de
barrière exceptionnelles, de poids léger, de bas coût, de durabilité, de transparence et de fiabilité avec d´autres
matériaux.
2-Applications : a-polymères de grande diffusion
polyéthylène
Non biodégradables
sacs plastiques, flacons (détergents, cosmétiques...), bouteilles, Tupperware, jerricans...
sacs, films, sachets, sacs poubelle, récipients souples (ketchup, crèmes hydratantes…)
polypropylène
équipements automobiles ( pare-chocs, tableaux de bord, l'habillage de l'habitacle).
emballages alimentaires (résistance à la graisse, emballages de beurre)
fibre dans les cordes plastiques et les tapis synthétiques.
Les billets de la monnaie australienne.
polychlorure de vinyle (PVC)
PVC rigide: tuyaux de canalisation, les garnitures et habillages de fenêtres
PVC souple: recouvre les manches de pinces et les câbles; plafonds tendus, imperméables,
rideaux de douche
PVC plastifié: marquage publicitaire, emballage (film étirable), revêtement de sol, bouteilles,
pellicules photo, disques vinyles
polystyrène
Boîtier CD (PS cristal - transparent, cassant)
Couverts en plastique, Gobelets en plastique
Articles de décoration ou de bureau (double-décimètres, équerres et rapporteurs)
Emballages alimentaires (pots de yaourt)
Calages pour objets fragiles, isolants pour glacières, flotteurs, caisses à poisson
Isolant thermique sous forme expansée
silicones
mastics, colles, joints, additifs anti-moussants pour poudres lessivielles, cosmétiques,
matériel médical, gaines isolantes de câbles électriques, graisses haute performance
polyéthylène terephtalate (PET)
Bouteilles (boissons gazeuses), Rembourrage de peluches, de coussins
Fibres textiles (Dacron), Emballages résistants au four
Films transparents pour les applications d'optique (écrans LCD, instruments)
Emballages jetables de toutes sortes (boîtes pour les salades, plateaux de présentation...)
Non biodégradables
Polyméthacrylate de méthyle (PMMA)
enseignes, bandeaux lumineux, panneaux signalétiques et publicitaires ;
PLV, présentoir, gravure, ameublement, agencement de magasin, décoration ;
pièces industrielles
accessoires de sécurité
prothèse dentaire
implant en ophtalmologie
membranes pour hémodialyseurs…
fibres optiques
art (objets design, sculpture)
lentilles d'appareils photographiques économiques (jetables)
support d'impression directe avec encres UV pour les tableaux photographiques
instruments de musique : certains modèles de batteries (Ludwig et Tamburo, entre autres)
réservoir de cigarettes électroniques
prothèse dentaire, implant en ophtalmologie, membranes pour hémodialyseurs
Polyuréthanes (PU)
Mousses de polyuréthane , isolation thermique
Colles bois, collage des semelles
Roues et roulettes chaussures patins à roulettes, planches à roulettes, caddy etc.
Ameublement
Industrie automobile: thermodurcissable ,amortisseurs, silentblocs et pare-chocs
Textile: combinaisons isothermes, Lycra
Décoration
Nautisme : planches de surf ou planches à voile
Préservatifs, gants chirurgicaux ( moins d’allergies)
Laques, peintures et vernis (peintures métallisées vernies)
CH3
CH2
C
COOCH3
Principaux thermoplastiques utilisés
2-Applications b-Les polymères à usage biomédical
Principaux thermoplastiques utilisés
+ degradable polymers
Polymères non fonctionnalisés
Etude Frost & Sullivan
Principaux thermoplastiques utilisés-applications
Méthodes de préparation des polymères
Cf modes de synthèse des polymères….
Pourquoi…? Copos, Mn, Ð….
Méthodes de préparation des polymères
Polymères usage “permanent”
Liaisons C-C uniquement
Polymérisation par ouverture de double-liaison
ex: PE, PS, PP, PVC, PMMA...
Polymérisation en chaîne
Polymères usage “temporaire”
Liaison “hydrolysable” dans le motif
Polycondensation
Fonctions réellement hydrolysables
Polymérisation par ouverture de cycle
Polyesters, polyamides etc…
PLA, PCL,
Réaction classique
Nombreux monomères
Masses molaires faibles
(Non radicalaire)
Masses molaires élevées
-Marché des polymères à usage biomédical
*The medical polymers market was valued at US$9.8 bln in 2013 (4,9 millions tons) and is likely to reach US$17.13 bln by 2020,
expanding at a CAGR of 8.3% during 2014 and 2020.
Fibers and resins was the largest product type of the medical polymers market in 2013. The segment accounted for over 85% of
the volume share in 2013 led by their wide usage in the manufacture of devices, equipment and packaging.
Une résine désigne un polymère (naturel ou artificiel) matière de base pour fabriquer par exemple des matières plastiques, textiles, peintures
(liquides ou en poudre), adhésifs, vernis, mousses de polymère. Elle peut être thermoplastique ou thermodurcissable.
NB: L'expression « matière plastique » ayant une connotation péjorative pour certains consommateurs, le mot « résine » est souvent employé par
les fabricants en lieu et place de « matière plastique ».
Increasing substitution of traditional materials such as metals and glass with plastics in applications such as medical devices
and equipment has significantly boosted the medical polymers market over the past few years. The healthcare industry is one of
the largest growing industry. Plastic/polymer manufacturers should look into healthcare as a high growth opportunity.
Investments in this application is sure to reap benefits for the companies across the value chain.
biodegradable plastics are expected to witness the fastest growth over the next few years owing to increasing demand for
biocompatible polymers, particularly for implants.
-Regulation *However, stringent regulations regarding new product launches in the sensitive healthcare industry are
estimated to hamper market growth
-Marché des dispositifs médicaux en fonction des applications
-Marché des dispositifs médicaux
Medical devices and equipment was the largest area of application in the market, accounting for over 47% share of the overall
volume in 2013, due to high demand for disposable medical equipment.
North America and Europe were the largest regional markets for medical polymers in 2013. Together, these regions accounted for
over 65% of the global volume share in 2013. However, Asia Pacific is likely to be the fastest growing market during the forecast
period primarily due to shift in manufacturing activities from western countries to countries such as India and China.
As per Frost & Sullivan, the Western European market for polymers in medical devices finds that the market earned revenues of
602 ml€ in 2011 and estimates this to reach 1075.4 mln € in 2018, boosted by the increasing replacement of other materials by
polymers in medical devices
Non toxicité, biocompatibilité
Pureté des polymères obtenus
Absence de petites molécules
-restes de monomères, d’amorceur,
de solvants etc.
-additifs exclus (sauf cas très particuliers)
Caractéristiques très bien définies
Prix
Les trois types d’applications des polymères en médecine et chirurgie
Matériau
Vecteur de médicament
Médicaments à action prolongée
ciblage
Additif pour la galénique
Dispositif médical:
Article L5211-1, du CSP (Code de la Santé Publique): on entend par dispositif médical, tout instrument, appareil, équipement,
matériel, produit, à l’exception de produits d’origine humaine, destinés par son fabriquant à être utilisés chez l’Homme à des
fins médicales, dont l’action principale voulue n’est pas obtenue par moyen pharmacologique, ni immunologique, ni
métabolique, mais dont la fonction peut être assistée par de tels moyens.
Ils sont utilisés à des fins de:
diagnostic, de prévention, de contrôle, de traitement, ou d’atténuation d’une maladie: ex: thermomètre, stéthoscope,
hémodialyseur... etc
diagnostic, de prévention, de contrôle, de traitement, ou d’atténuation d’une blessure ou d’un handicap: ex pansement,
fauteuil roulant, lentilles intra oculaires, sutures...
D’étude, de remplacement, ou de modification de l’anatomie, ou d’un processus physiologique: ex pacemaker, prothèse
articulaire, amalgame dentaire…
de maitrise de la conception: ex diaphragme, dispositif intra utérin (stérilet)
Ensemble très hétérogène…Un DM peut être aussi bien une seringue, un implant, un scanner ou un appareil d’IRM…
Les vecteurs de principes actifs peuvent en faire partie (implants, micro et nanosphères)
Diverses catégories: classification des dispositifs médicaux
Pas de biodégradables dans la liste…
PP
PVC…?
OPHTALMOLOGIE
· lentilles (souvent exclues du domaine pour cause de brièveté du
contact)
· implants
· coussinets de récupération
· produits visqueux de chambre postérieure
UROLOGIE/ NEPHROLOGIE
· dialyseurs
· poches, cathéters et tubulures pour dialyse péritonéale
· rein artificiel portable
· prothèses de pénis
· matériaux pour traitement de l'incontinence
ODONTOLOGIE - STOMATOLOGIE
· matériaux de restauration et comblement dentaire et osseux
· traitements prophylactiques
· orthodontie
· traitement du parodonte et de la pulpe
· implants
· reconstruction maxillo-faciale
ENDOCRINOLOGIE-CHRONOTHERAPIE
· pancréas artificiel
· pompes portables et implantables
· systèmes de libération contrôlée de médicaments
· biocapteurs
CHIRURGIE ORTHOPEDIQUE
· prothèses articulaires (hanche, coude, genou, poignet,...)
· orthèses
· ligaments et tendons artificiels
· cartilage
· remplacement osseux pour tumeur ou traumatisme
· chirurgie du rachis
· réparation de fractures (vis, plaques, clous, broches)
· matériaux de comblement osseux injectable
CARDIOVASCULAIRE
· valves cardiaques
· matériel pour circulation extracorporelle (oxygénateurs,
tubulures, pompes,..)
· cœur artificiel
CHIRURGIE GENERALE ET DIVERS
· drains de chirurgie
· colles tissulaires
· peau artificielle
· produits de contraste
· produits pour embolisation
· produits pour radiologie interventionnelle
· matériaux et implants pour chirurgie esthétique
RADIOLOGIE ET IMAGERIE
-Produits de contraste
-Produits pour embolisation
· assistance ventriculaire
· stimulateurs cardiaques
· prothèses vasculaires
· matériels pour angioplastie luminale coronarienne et stents
· cathéters endoveineux
Secteur en croissance, où la sous-traitance gagne en importance et où les matériaux polymères sont au cœur des innovations
du marché. Les polymères vont continuer de prendre des parts de marchés sur les autres matériaux dans les dispositifs
médicaux car :
-ils permettent des réductions de coûts
-la demande en dispositifs jetables s’accroît
-Ils sont biocompatibles
-ils apportent de nombreuses fonctionnalités, source d’innovations (transparence ou opacité, légèreté combinée avec la
flexibilité ou la résistance, recyclabilité, bonne résistance chimique, etc.).
Secteur stratégique pour la plasturgie, même si le secteur médical ne représente que 2% des volumes de matières plastiques
consommés.
(appel à la sous-traitance, dont le taux de croissance est estimé au niveau mondial à +11,6% annuel pour la période 20122018.)
Un cadre réglementaire très contraignant et mouvant
-La réglementation des dispositifs médicaux : directives européennes complexes, et celles-ci ne sont pas traduites dans les
législations nationales des différents pays de la même façon, ce qui ajoute à la complexité. La Commission Européenne a
entrepris une révision profonde de la réglementation qui s’est traduite en septembre 2012 par deux propositions de nouveaux
règlements. Les objectifs annoncés sont les suivants :
-améliorer la traçabilité et la transparence dans le marché
-réduire les divergences dans l’interprétation et l’application des règles entre les pays
-éliminer les lacunes et incertitudes de classification pour certains produits
-aller vers plus de convergences internationales
Dispositif médical : tendances
Le marché des dispositifs médicaux regroupe un ensemble très hétérogène de produits, classés par classe de risque, ils ne sont pas
moins de 500 000 recensés par la Commission Européenne.
Au niveau mondial, le marché est estimé à 240 Milliards d’Euros, il affiche des taux de croissance très élevés : +7,8% sur la période
2007-2011 avec une prévision à +7,1% annuel de 2012 à 2017. Les trois pays leaders du secteur sont les Etats Unis, le Japon et
l’Allemagne, la France se situe en 6ème position derrière la Chine et la Suisse.
http://www.euro-pharmat.com/glossaire-produits.aspx?ini=A
Polymères « techniques »
Polymères « classiques »
«techniques »
« classiques »
« techniques »
« classiques »
Dispositif médical
« Service »
polyuréthane
Matériau
PVC
polystyrene
Structures non (bio)dégradables
…Applications permanentes…
latex
Silicones
Le dispositif médical
« Service »
« implantable »
Disque intervertébral
(Polyuréthane)
Prothèse de hanche
(polyéthylène)
Treillis
(Polypropylène)
Matériau
Valves cardiaques
…Applications permanentes…
Ligaments
(P.E.T.)
Cœur artificiel (PVC+Polyester+…)
Cristallin artificiel (base PMMA)
Prothèse de hanche
(polyéthylène)
CH2
CH2
n
Treillis
(Polypropylène)
CH2
CH
CH3
n
Valves cardiaques
PET
O
Ligaments
CH2
CH2
O
O
O
C
C
PVC
CH2 CH
Cl
Additifs…?
Silicones
Pas d’additifs…
latex
Pas d’additifs…
Réticulation…
polyuréthane
Bisphénol A…?
Cristallin artificiel (base PMMA)
Propriétés optiques
…La cataracte…
CH3
CH2
C
COOCH3
Résultat….
Synthèse
Polycondensation,
…/…
Transformation
Solution
Extrusion
Moulage
…/…
Propriétés
Solubilité
Ptés mécaniques
Ptés thermiques,
Ptés optiques
Dégradabilité
Biocompatibilité
…/…
Structure
Masse molaire
Cristallinité
3 paramètres fondamentaux
But: choix « raisonné » du polymère en fonction d’un cahier des charges
Applications
Tous domaines:
Médecine
Chirurgie
Pharmacie
Biologie
…/…
Introduction générale
2-Applications a-Polymères de grande diffusion
Place des thermoplastiques dans le monde
Comparaison polymères/métaux
b-Polymères à usage biomédical :
Applications
Diverses catégories: classification
Dispositif médical
Autres applications….
1-Introduction:
dégradables/permanents
2-Polyéthylène - Polymérisation en chaine, transitions thermiques, cristallinité
3-Polypropylène - rôle de la stéréochimie
4-PVC - modes de polymérisation, plastification
5-Polystyrène
6-Polyméthacrylate de méthyle
7-Polyéthylène terephtalate - recyclabilité
8-Polyamides (nylons)- rôle de la structure
9-Autres…. ABS, Polycarbonate (PC), Acryliques, Silicones, Elastomères …
1-Introduction:
1-Introduction:
Termes de mécanique des polymères
Contrainte élastique
Déformation élastique
Résistance à la tension
Résistance à la rupture
Elongation à la rupture
1-Introduction : dégradables/permanents
chaîne non hydrolysable
C-C
Structure!
Polymérisation par ouverture de double liaison
Radicalaire, anionique, cationique
Synthèse!
Ex : polyéthylène
Ex : polypropylène
Ex : polystyrène
Ex : poly chlorure de vinyle
CH3
Ex : poly méthacrylate de méthyle
CH2
C
COOCH3
chaîne non hydrolysable
Structure!
Polycondensation
Synthèse!
Si-O
Silicones
C-Hétéroatome
C-O-C
Polyéthers
CO-O
Polyesters
(aromatiques) PET
CO-NH
Polyamides
(Nylons)
Perlon
Nylon 6-6
O-CO-NH
Hydrosoluble!
PEG
Polyuréthanes
O
CH2
CH2
O
O
O
C
C
Matériaux « biodégradables »
« bioassimilables »
«biorésorbables »
…/…
•
Éviter une réopération après la restauration
•
Recommandés chaque fois que l’organisme peut se réparer lui-même
•
Permettre la restauration des contraintes physiologiques du tissu traité
•
Permettre une reconstruction correcte du tissu blessé pourvu que la vitesse de dégradation soit compatible avec la
vitesse de reconstruction du tissu
Rappel: La tendance actuelle va vers les biodégradables pour les DM implantables
Biodégradables
Structure!
chaîne hydrolysable
CO-O
Polyesters aliphatiques
Polycondensation
Synthèse!
Structure!
Cas de la stéréochimie
(poly acide lactique)
(poly acide glycolique)
O
Poly (e-caprolactone)
PCL
O C
(CH2)5
n
Polymérisation ouverture de double liaison
Polycondensation
Synthèse des PLAs
Polymérisation par ouverture de cycle (P.O.C.)
Addition « par paires »
O
1-Introduction : notions sur la POC
oligomérisation
HO
*CH
COOH
O
CH3
D
*CH
O
cyclisation
C
H
CH3
H3C
ZnO
P réduite
O
CH3
*O
*
H
lactide
O
Acide lactique
O
PLA
*CH
O
C
O
CH3
*
CH
D
O
C
CH3
P.O.C.
Polycondensation
HO
*
CH
CH3
Acide lactique
COOH
O
D
P réduite
*
CH
CH3
O
C
PLA
Octanoate d’étain
Lactate de zinc
Polymérisabilité
Polymérisabilité
Anionique
-
RO Na
+
CH2
+
-
CH2
ROCH2CH2O Na
+
O
-
+
ROCH2CH2O Na
+ CH2
-
CH2
+
ROCH2CH2OCH2CH2O Na
O
(1)
+
Met
O
-
-
Nu
Nu
O
O
Met
O
O
(2)
+
O
O
O
O
-
Nu
O
O
O
O
-
Nu
O
O
+
Met
O
O
O
O
Nu
O
-
O
O
O
+
Met
O
+
Met
Anionique
HN
HN
O
C
C
+
C
N
H N
H O
HN C
O
+
C
O
O
+
H N
B
O
+
HN
BH
C
N
C
H O
H N
C
C
N
O
+
C
+
H N
O
N
N C
O
C
O
O
O
N C
N
N
C
O
N
O
+
H N
H O
O
H N
O
+
C
O
H O
O
C
N C
C
C
N
C
H O
H N
C
C
N
N
C
C
O
O
H O
H
N C
N C
O
Cationique
Tétrahydrofurane
R
O
A
R
O
+
O(CH2)4
O
-
A
R
R
O(CH2)4
O
p
-
A
O(CH2)4
O
p
-
A
O(CH2)4
A
Coordination-insertion
Amorçage du lactide par l’octanoate d’étain
O
O
O
a
Ob
O
Sn
Sn
O
O
O
(C7)
Extrémités de chaînes « ester »
Sn dans la chaîne
O
C7
O
O
O
O
O
(C7)
b
O
a
O
O
O
O
O
C7
Biomatériaux polymères pour la Santé: Applications « permanentes »
C-C
polyéthylène
polypropylène
poly chlorure de vinyle
polystyrène
poly méthacrylate de méthyle
Si-O
Silicones
CO-O
Polyesters (aromatiques)
CO-NH
Polyamides (Nylons)
O-CO-NH
Polyuréthanes
C-O-C
Polyéthers
Généralités
Synthèse et stéréochimie
Méthodes de synthèse/Additifs
Transparence
Propriétés optiques et mécaniques

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