Matériaux biocompatibles - Textiles innovants - Maxicours

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Matériaux biocompatibles - Textiles innovants

Objectifs
Voir quelques avancées technologiques récentes dans des domaines qui concernent directement l’Homme : les matériaux biocompatibles et les textiles innovants. Aborder la notion de mouillabilité d’une surface. Etudier le phénomène de superhydrophobie.
1. Matériaux biocompatibles
La biocompatibilité d’un matériau désigne sa capacité à être tolérée par un organisme vivant, en particulier quand le matériau est présent au sein de l’organisme (prothèse). Cette condition est nécessaire pour que le matériau ne soit pas rejeté par le système immunitaire, ce qui créerait des complications. On distingue divers types de biomatériaux répondant à cela :

Des métaux. Dans le cadre de prothèses remplaçant une partie d’os (tête de fémur, prothèse de genou, etc.), il peut être fait appel à des métaux comme l’acier inoxydable ou le titane. Ce dernier constitue le métal très biocompatible, car il est inerte chimiquement au sein de l’organisme. Ces métaux sont appréciés pour leur résistance mécanique, mais présentent quelques défauts : oxydation (même très lente), usure, etc.

Les céramiques (voir fiche dédiée). Exemple : utilisation de l’alumine et de silice pour des prothèses dentaires. Les céramiques ne présentent pas le problème de corrosion rencontré avec les métaux, mais on a toujours le problème de l’usure.

Les matériaux que nous venons de voir concernent des applications où ils remplacent un tissu dur, dans la durée. Une autre stratégie est d’utiliser des biomatériaux assurant certaines fonctions biologiques, le temps que les tissus endommagés se reconstituent. On a :

Les polymères. Plusieurs pistes possibles : des polymères qui aideraient activement les tissus à se reconstruire, qui libéreraient progressivement des médicaments afin d’éviter tout rejet ou complications. On considère aussi des polymères biodégradables, qui se résorberaient progressivement au fur et à mesure de la reconstruction des tissus.

Des substances naturelles, assurant là aussi une excellente biocompatibilité. On peut citer le collagène, dans le cadre de la reconstruction de tissus comme la peau. On a aussi la chitine, extrait par exemple de la carapace des crabes. Elle peut constituer une peau artificielle, aide à la cicatrisation et est biodégradable. Par voie chimique ou enzymatique, elle donne du chitosan, possédant des propriétés antibactériennes.

Il est possible d’utiliser conjointement les divers matériaux cités. Exemple : Stent actif. Un stent est une structure métallique souple en forme de tube. Il est introduit par chirurgie dans une artère obstruée par une plaque d’athérome (dépôt adipeux). Son rôle est de maintenir un flux sanguin suffisant, en évitant que le diamètre de l’artère ne se rétrécisse. Un stent est dit actif lorsqu’il comporte une fine couche de polymères, dont le rôle est de libérer progressivement un médicament, afin que le stent soit toléré par l’organisme. Autre exemple : ligaments artificiels, recouverts de polymères assurant la biocompatibilité.

Pour finir, citons également les biomatériaux utilisés pour des utilisations provisoires, comme les pansements, gels des gélules de médicaments, lentilles de contact… Pour chacune des applications citées, le biomatériau doit satisfaire certaines contraintes. Par exemple, pour les lentilles de contact, il doit être suffisamment perméable aux gaz (dioxygène) pour permettre à l’œil de respirer, et doit avoir aussi une mouillabilité adaptée.
2. Mouillabilité d'un matériau
Quand on dépose une goutte d’eau sur un support solide, la goutte s’étale plus ou moins. Cela dépend de la mouillabilité du matériau constituant le support. Pour l’estimer, on mesure l’angle de mouillage formé par la surface du support et par la tangente d’un « bord » de la goutte au niveau du contact support/eau.


La notion de mouillabilité se généralise à d’autres liquides que l’eau. Toutefois, les termes formés à partir du radical hydro sont bien sûr réservés à l’eau. Exemples à température ambiante et dans l’air : eau sur nylon : 70° ; eau sur peau humaine : environ 80° ; eau sur téflon : 110° ; octane sur téflon : 30 ° ; pentane sur téflon : 0 ° …

L’explication physique est liée à la notion de tension superficielle, abordée dans la fiche sur les tensioactifs. Pour une interface liquide/air, on rappelle qu’elle provient de l’interaction des molécules du liquide à sa surface avec les autres molécules plus en profondeur dans ledit liquide. Il en résulte que le liquide cherche à minimiser la superficie de sa surface, d’où cette forme de goutte.

Toutefois, dans notre cas, il faut aussi tenir compte de l’interface liquide/support. Ainsi, la goutte peut plus ou moins s’étaler selon ses affinités avec le support. S’ils en ont beaucoup, la goutte s’étale. Si ce n’est pas le cas, sa forme sphérique, minimise au maximum la surface de contact eau/support. En notant la tension superficielle (ou tension interfaciale) entre chaque interface, on a :


A l’équilibre, la projection des trois vecteurs selon l’axe du support donne . En extrayant , on obtient la relation de Young et Dupré, valable uniquement si le support est parfaitement lisse :



Pour certaines applications, une forte mouillabilité est recherchée, comme pour les colles liquides (voir fiche dédiée). En effet, une colle est efficace si elle établit des liaisons chimiques avec les supports à coller. Pour cela, il faut qu’elle s’étale au maximum, qu’elle s’insinue dans les moindres interstices des matériaux. C’est une des raisons qui explique que le choix de la colle à employer pour lier deux matériaux soit lié à la nature de ces derniers.

Pour d’autres applications, on cherche au contraire une mouillabilité la plus faible possible.
3. Matériaux superhydrophobes
Un matériau superhydrophobe a une surface présentant très peu d’affinités avec l’eau, de sorte que celle-ci forme des gouttelettes lorsque qu’elle est versée sur le matériau. Certains matériaux présentent intrinsèquement un caractère hydrophobe. Toutefois, pour une surface parfaitement lisse, on est souvent limité à un angle maximal de 125 ° environ. Ainsi, pour amplifier cette propriété hydrophobe, une solution est de minimiser la surface de contact entre le liquide et le solide, via des nanostructures rendant la surface rugueuse.


Superhydrophobie par « effet fakir »

A partir de la valeur de calculée par la relation de Young et Dupré, l’angle est trouvé via le modèle de Cassie-Baxter (non exigible) :


(sans dimension) correspond à la surface qui serait en contact direct avec l’eau divisée par la surface du matériau si celui-ci était lisse. La rugosité r (sans dimension) est le rapport de la surface réelle du matériau par la surface si celui-ci était lisse. On a d’ailleurs .

Dans la nature, les feuilles de lotus sont superhydrophobes par ce principe : on parle d’ailleurs d’effet lotus. Ce phénomène se rencontre de même avec les plumes de canard, ou les ailes d’insectes. Un objectif d’un matériau superhydrophobe est d’assurer un rôle auto-nettoyant : l’eau ruisselle sur lui, en emportant les salissures. Il peut aussi apporter une protection (plumes de canard).

Les matériaux superhydrophobes synthétisés par l’Homme ont des objectifs similaires, comme avec les peintures et verres autonettoyants. L’idée est également de protéger le matériau d’une action néfaste de l’eau : corrosion, éviter qu’un bois ne se gorge d’eau, etc. Des textiles superhydrophobes assurent une bonne imperméabilité, tout en laissant passer l’air.

Remarque : Les structures doivent être de taille assez faible, sinon l’eau s’infiltre dans les interstices, notamment si le matériau n’est pas hydrophobe. La surface de contact solide/eau est alors augmentée, ce qui accroit la mouillabilité de la surface. Cette configuration est décrite par le modèle de Wenzel, cas particulier du modèle Cassie-Baxter où .

4. Textiles innovants
Mis à part l’aspect superhydrophobe que nous venons de voir, des textiles innovants peuvent posséder d’autres propriétés.

Textiles utilisant des fibres nouvelles. Ces fibres peuvent être de diverses natures selon les applications recherchées : gilets pare-balles en fibres de kevlar (voir fiche sur les matériaux composites) …

Il existe des tissus en fibres optiques (nappes, rideaux). Contrairement aux fibres utilisées en télécommunication, ces fibres diffusent la lumière sur leur longueur. Via l’utilisation d’une source lumineuse, le textile permet alors certains effets de lumière.

La chitine et le chitosan évoqués au 1. peuvent être mélangés à du coton (cellulose) pour confectionner des fibres de viscose (soie artificielle). Le tissu obtenu est anti-bactérien, est très bien toléré par la peau, favorise éventuellement la cicatrisation de plaies, etc.

Utilisation de micro ou nanocapsules. Elles sont liées aux fibres textiles par un liant. Les capsules contiennent un principe actif.

Dans certains cas, elles sont totalement hermétiques et résistent aux lavages. Le principe actif peut alors être par exemple une substance thermochrome, c'est-à-dire qui change de couleur selon la température du vêtement.

Dans d’autre cas, les capsules s’ouvrent au fur et à mesure, selon certaines sollicitations extérieures : températures, frottements, humidité, etc. Le principe actif (parfum …) est alors libéré. Bien entendu, ce genre d’application est limité dans le temps.

Textiles « intelligents ». L’incorporation de nouvelles technologies aux textiles permet à ces derniers de jouer le rôle de capteurs. Relié à une électronique, le textile devient alors capable « d’agir » selon une programmation prédéfinie : modification de sa couleur, élasticité, génération de chaleur, etc.
L'essentiel
La biocompatibilité d’un matériau est sa capacité à être toléré sein d’un organisme vivant. Selon les applications, le biomatériau peut servir de prothèse, aider à réparer des tissus, à libérer des substances médicamenteuses, etc. Cela concerne des métaux (titane), des biocéramiques, des polymères, des substances naturelles (chitine …).

Quand on dépose une goutte de liquide sur une surface solide, la mouillabilité de la surface est estimée par l’angle de mouillage . Elle dépend du liquide, du matériau composant la surface (affinités avec le liquide) et de la rugosité de la surface. Un matériau superhydrophobe a très peu d’affinités avec l’eau : celle-ci va ruisseler, comme sur une feuille de lotus. Cela confère une propriété autonettoyante au matériau.

Des textiles innovants bénéficient des progrès technologiques pour posséder certaines propriétés selon les applications : superhydrophobie, grande solidité des fibres, action antibactérienne, inclusion de nanocapsules délivrant une substance, propriétés optiques, etc.

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