Brevet FR2714529A1 — publié le 19950630

DESCRIPTION La présente invention concerne la caractérisation de matériaux piézoélectriques, définie expérimentalement, pour des applications biomédicales, notamment, mais non exclusivement, dans le domaine des prothèses synthétiques cardio-vasculaires (vaisseaux,valves) Si les prothèses synthétiques cardiovasculaires de gros diamètre résistent au choc hémostatique et ne provoquent pas de phénomène de coagulation, il n'en est pas de même pour des vaisseaux de faible diamètre (inférieur à 5 mm) pour lesquels il n'existe pas de prothèses synthétiques vasculaire. Plusieurs essais mettant en oeuvre divers matériaux ont été éffectués et se sont soldés par des échecs: - I'utilisation de PTFE dans lequel a été incorporé du carbone - I'utilisation de DACRON traité par des charges négatives - des essais portant sur des polymères organiques séquencés, présentant des micro-domaines de type mosaïque empêchant que les plaquettes ne s'accrochent au matériau... L'étude et l'utilisation de matériaux piézoélectriques dans le domaine biologique ou cardiovasculaire, ont souvent été faites par certains auteurs de manière hasardeuse et empirique, à partir de matériaux commercialisés à d'autres fins. D'autres auteurs, à partir d'une technique de production d'un copolymère donné s'avérant posséder des propriétés piézoélectriques trés limitées, proposent des applications qui n'ont pas été vérifiées. La caractérisation des matériaux piézoélectriques, homopolymère de PVDF, copolymère de PVDF, revêtus (ou non) d'une couche conductrice (métallique ou non) ou bio-organique (collagène, fibronectine ...), copolymère de PVDF comportant des inclusions bio-organiques ou de divers matériaux (conducteurs ou non conducteur, piézoélectrique ou non piézoélectrique) réparties de manière homogène ou en micro-domaine de type mosaïque, selon l'invention a été définie expérimentalement , afin de donner aux prothèses synthétiques cardio-vasculaires, les propriétés électrophysiologiques des tissus biologiques correspondant. Ces prothèses peuvent être de géométrie variable, sous forme de tubulures, de feuillets, de films, de fils, de bandelettes, de granules, de poudre. Ces caractéristiques électriques, permettant d'induire des phénomènes biologiques cellulaires et tissulaires (pousse, adhésion, prolifération, stimulation électrique de tissus contractiles, fission cellulaire, sécrétion), ont fait l'objet d'une étude conséquente qui s'est déroulée en deux étapes. La première étape, a permis de mettre en évidence, à partir d'un dispositif électrochimique, les gammes de charge électrique optimale pour obtenir une réponse cellulaire optimale. La deuxieme étape a permis de comparer le comportement cellulaire sur un matériau piézoélectrique par rapport au modèle précédent, ceci à partir d'un dispositif de balancement modélisant un écoulement pulsé, avec des charges électriques, des fréquences et des amplitudes de modulation de l'écoulement, donnant lieu en raison du caractère piézoelectrique du matériau à des modulations de la charge électrique similaires à celles explorées dans le premier modèle. Premier modèle exPerimental Cette caractérisation a été obtenue par un modèle de simulation de la piézoélectricité à travers l'application d'une charge constante ou modulée, autour d'une valeur moyenne à un support de culture: - le support de culture : matériau conducteur (couche de SnO2 dopé au fluor sur verre) permettant d'imposer une charge constante ou modulée - la charge constante négative, positive ou nulle modélisant la paroi veineuse normale ou pathologique - la charge modulée, surimposée à une charge moyenne, négative, positive ou nulle modélisant la paroi artérielle normale ou pathologique - la fréquence de modulation modélisant le rythme cardiaque (autour du Hertz) - l'amplitude de modulation modélisant la pression artérielle (de part ses propriétés piézoélectriques, le sous-endothélium développe une charge électrique dont la variation sera d'autant plus élevée que la différence de pression au cours du cycle cardiaque sera plus forte) Mesures élèctrochimiques: la chaine de mesure (planche 1) La chaine de mesure est constituée des éléments essentiels suivant: - la cellule élèctrochimique à trois élèctrodes (l'électrode de travail sur laquelle croissent les cellules, l'électrode de référence et la contre- électrode) ( fig. 1); - un potentiostat pour l'application d'un potentiel imposé à l'électrode de travail (fiv.2) - un générateur de signaux pour piloter le potentiostat (fig.3). Description des différents éléments: a) la cellule électrochimipue -ou chambre de culture - (planche 2): Les chambres de cultures sont constituées de six éléments : un bloc rectangulaire et creux (1) composé d'un matériau biocompatible. Ce bloc repose sur une lame de verre - électrode de travail - (2) recouverte d'une couche conductrice - SnO, dopé au fluor, 30 ohms/carré environ - (3) reliée au potentiostat par une lamelle conductrice électronique (4) à laquelle est soudé un fil électrique. Cette lamelle repose sur la lame de verre, pour se trouver en contact avec la couche conductrice. Une contre-électrode de titane (5) située à l'opposé de la lamelle de cuivre traverse le bloc creux pour venir baigner dans le milieu. Une électrode de référence (6) est une élèctrode inattaquable (Pt, C, Au...) à l'équilibre avec le potentiel redox du milieu de culture. Elle est positionnée au centre du système et traverse à son tour le bloc pour venir plonger dans le milieu. Les cellules cultivées actuellement sont des cellules endothéliales provenant de la veine ombilicale humaine. Elles sont amenées à confluence, en l'absence de polarisation de l'élèctrode de travail (le potentiel d'équilibre du matériau revêtu d'une monocouche cellulaire avec le milieu de culture est d'environ 215 mV/ECS), avec du milieu M199 Boehringer supplémenté à 10% de sérum de veau foetal (SVF). Une fois la confluence obtenue, le milieu de culture est remplacé par du M199 non supplémenté en SVF mais additionné de 4% de sérum albumine bovine, et le support de culture (électrode de travail) est polarisé à différents potentiels constants ou modulés sinusoidalement. La confluence est observée directement au microsope à contraste de phase à travers la lame de verre conducteur sur laquelle les cellules poussent. b) le potentiostat (Planche l fixa.2): Le potentiel et la perturbation choisie sont appliqués au moyen d'un potentiostat Schlumberger 1186 Electrochemical Interface. Le potentiel et la perturbation sont pilotés par un générateur extérieur. c) le générateur (planche I fiv.3): C'est un appareil Schlumberger (1250 Frequency Response Analyser) qui a de multiples fonctions mais dont seule la fonction génénérateur est utilisée ici. Le signal de sortie du générateur, qui est injecté dans le potentiostat est de la forme: V= Vo + Asincot ou Vo, A, et co sont trois paramètres que l'ont peut choisir. Les cultures cellulaires ont été soumises à un potentiel constant ou modulé correspondant de manière univoque à une charge électrique constante ou modulée. La durée d'application de ces charges étaient de 48 heures pendant laquelle il a été éffectué des observations sur les modifications morphologiques, sur la synthèse cellulaire de PGIt (anti-thrombotique) et de TAXA2 (tbrombotique) dosés à partir de leur métabolite stable 6-céto-PGFla et TxB2 respectivement. Deuxième modèle expénmental La modélisation d' un écoulement pulsé sur un tapis de cellules endothéliales, se fait dans notre étude à partir d'un dipositif (planche 3) constitué en deux parties distinctes mais complémentaires: - les chambres de culture (1); - les plateaux de balancement (2); a) les chambres de culture (planche 3): - Elles sont constituées d'un matériau bio-compatible (1) comprenant une ou plusieurs rigoles sans fond (2). Le plancher des chambres sur lequel les cellules (4) vont pousser est constitué soit d'un verre conducteur (ou non), soit d'un film piézoélectrique (3) appliqué de manière étanche au bio-matériau (1). b) les plateaux de balancement (planche 4) ils sont constitués d'un socle (8) sur lequel sont fixés plusieurs plateaux (5) battant par l'intermédiaire de moteurs (6), de manière simultanée à des fréquences différentes et dont un système de réglage (7) permet de varier l'amplitude de balancement de chacun d'eux. Ce modèle a plusieurs avantages par rapport à ceux qui sont généralement employés. Il est d'un emploi facile, n'emploie pas de systemes compliqués (pompes, tubulures, maîtrise des vitesses d'entrée et de sortie du milieu de culture), permet l'utilisation d'une faible quantité de milieu, facilite les prélèvements. Résultats: - caractérisation des mBtériaux piézoélectriques Les résultats obtenus ont permis de définir les caractéristiques électriques, tant au niveau du modèle électrochimique qu'au niveau de l'application directe sur des matériaux piézoélectriques, permettant la pousse cellulaire, ainsi que la modulation de la charge électrique membranaire, dans un sens favorable à la sécrétion de facteurs anti-coagulants, ou anti-agrégants . Les contraintes mécaniques considérées (pression et contraintes de cisaillement) auquelles les matériaux piézoélèctriques doivent répondre, selon l'invention, pour des applications au niveau cardiovasculaire, sont (pour des fréquences de l'ordre du Hertz): - des variations de pression comprises entre 5 mm et 300 mm de mercure - des variations de contrainte de cisaillement pariétale comprise entre 0 et 10 dyn/cm2 - une charge stationnaire comprise entre -20 et 20 zC/cm2 Compte tenu des résultats obtenus avec le modèle de verre conducteur, un ensemble de matériaux piézoélectriques destinés à être utilisés comme prothèse à différentes localisations du système circulatoire (chaque région vasculaire possédant ses propres caractéristiques au niveau des conditions d'écoulement, et de ces propriétés biologiques) devront permettre sous l'effet des contraintes envisagées plus haut, de faire apparaître les gammes de charge électriques suivantes (autour de la fréquence de 1 Hertz): - 10 nC à 10pC/cm2 pour une variation de pression de 100 mm Hg ou pour une variation de contrainte de cisaillement de 10 dyn/cu. Effets sur le comportement cellulaire 1) Les cellules endothéliales cultivées dans les conditions définies ci- dessus, proliferent dans un milieu sans sérum, alors que dans les milieux synthétiques (type SFRI) ne permettent que la survie et non la prolifération. 2) La morphologie, les structures cellulaires et la taille dépendent fortement des conditions électriques. Ces changements semblent s'operer selon les conditions électriques par division ou fusion cellulaire. 3) Les synthèses de PGI2 et de TAXA2 dépendent de manière drastique et sélective des conditions électriques. Ainsi, on peut faire varier d'un facteur 10 le rapport PGI2/TXA2. (planches 5, 6, 7). Conclusion La caractérisation des matériaux piézoélèctriques, homogènes ou hétérogènes, constitués soit dbomopolymères de PVDF, ou de copolymères de PVDF, - revêtus (ou non) d'une couche conductrice (métallique ou non) ou bioorganique (collagène, fibronectine...) - comportant (ou non) des inclusions bio-organiques ou de divers matériaux (conducteurs ou non conducteurs, piézoélectriques ou non piézoélectriques) réparties de manière homogène ou en micro-domaines de type mosaïque, selon l'invention, remèdie aux problèmes de coagulation et de colmatage des prothèses vasculaires en permettant aux cellules endothéliales d'adhérer, de se multiplier, de sécréter des facteurs anti-coagulants et anti-agrégants. REVENDICATIONS 1) Procédé de caractérisation de matériaux piézoélèctriques définie expérimentalement pour des applications biomédicales obtenues par un modèle de simulation de la piézoélèctricité et une modélisation d'un écoulement pulsé, caractérisé par - l'application d'une charge stationnaire comprise entre -20 et 20 CLC/cm2 - l'induction à leur surface, sous l'effet des contraintes hémodynamiques de la gamme de charge suivante ( autour de la fréquence de 1 Hertz): 10 nC à 10 pC/cm2 pour une variation de 100 mm Hg ou pour une contrainte de cisaillement de 10 dyn/cm2. - par une réponse : - aux variations de pression comprises entre 5mm et 300 mm de mercure - aux variations de contraintes de cisaillement pariétales comprises entre 0 et 10 dyn/cm2 à des fréquences de l'ordre du Hertz (gamme 0,5 Hz -10 Hz). 2) Procédé de caractérisation de matériaux- piézoélèctriques définie expérimentalement pour des applications biomédicales obtenue par un modèle de simulation de la piézoéléctricité et une modélisation d'un écoulement pulsé, selon la revendication 1) caractérisé par leur revêtement d'une couche conductrice métallique 3) Procédé de caractérisation de matériaux piézoélèctriques définie expérimentalement pour des applications biomédicales obtenue par un modèle de simulation de la piézoélèctricité et une modélisation d'un écoulement pulsé, selon la revendication 1) caractérisé par leur revêtement d'une couche conductrice non métallique 4) Procédé de caractérisation de matériaux piézoélèctriques définie expérimentalement pour des applications biomédicales obtenue par un modèle de simulation de la piézoélèctricité et une modélisation d'un écoulement pulsé, selon la revendication l), caractérisé par leur revêtement d'une couche bioorganique. 5) Procédé de caractérisation de matériaux piézoélèctriques définie expérimentalement pour des applications biomédicales obtenue par un modèle de simulation de la piézoélèctricité et une modélisation d'un écoulement pulsé, selon la revendication 1), caractérisés par des inclusions bio-organiques réparties de manière homogène. 6) Procédé de caractérisation de matériaux piézoélèctriques définie expérimentalement pour des applications biomédicales obtenue par un modèle de simulation de la piézoélèctricité et une modélisation d'un écoulement pulsé, selon la revendication 1), caractérisé par des inclusions bio-organiques réparties en micro-domaines de type mosaïque. 7) Procédé de caractérisation de matériaux piézoélèctriques définie expérimentalement pour des applications biomédicales obtenue par un modèle de simulation de la piézoélèctricité et une modélisation d'un écoulement pulsé, selon les revendications de 1) à 6), caractérisé par un fonctionnement en phase par rapport à la contrainte mécanique. 8) Procédé de caractérisation de matériaux piézoélèctriques définie expérimentalement pour des applications biomédicales obtenue par un modèle de simulation de la piézoélèctricité et une modélisation d'un écoulement pulsé, selon les revendications de 1) à 6), caractérisé par un fonctionnement en déphasage de la charge élèctrique par rapport à la contrainte mécanique. 9) Procédé de caractérisation de matériaux piézoélèctriques définie expérimentalement pour des applications biomédicales obtenue par un modèle de simulation de la piézoélèctricité et une modélisation d'un écoulement pulsé, selon les revendications de 1) à 6), caractérisé par l'application d'une gamme de réponse élargie à de plus fortes valeurs de charge électrique sous l'effet d'une contrainte mécanique, pour des applications relatives à la fusion cellulaire. 10) Procédé de caractérisation de matériaux piézoélèctriques définie expérimentalement pour des applications biomédicales obtenue par un modèle de simulation de la piézoélèctricité et une modélisation d'un écoulement pulsé, selon les revendications 1) à 9), caractérisé par leur application à l'ensemble des tissus biologiques. Il) Dispositif de simulation d'effet piézoélectrique pour la mise en oeuvre du procédé de caractérisation selon la revendication 1) caractérisé par un ensemble constitué de six éléments (planche 2): un bloc rectangulaire et creux (1) composé d'un matériau biocompatible. Ce bloc repose sur une lame de verre - électrode de travail - (2) recouverte d'une couche conductrice - SnOi dopé au fluor, 30 ohms/carré environ - (3) reliée au système par une lamelle conductrice électronique (4) à laquelle est soudé un fil électrique. Cette lamelle repose sur la lame de verre, pour se trouver en contact avec la couche conductrice. Une contre-électrode de titane (5) située à l'opposé de la lamelle de cuivre traverse le bloc creux pour venir baigner dans le milieu. Une électrode de référence (6) est une élèctrode inattaquable (Pt, C, Au...) à l'équilibre avec le potentiel redox du milieu de culture. Elle est positionnée au centre du système et traverse à son tour le bloc pour venir plonger dans le milieu. 12) Dispositif selon la revendication ll) caractérisé par son application au domaine biologique pousse cellulaire, prolifération cellulaire, stimulation électrique de tissus contractiles, fusion cellulaire, absorption de substances ou composés pharmacologiques ou biologiques, sécrétion de substances biologiques. 13) Dispositif de modélisation d'un écoulement pulsé pour la mise en oeuvre du procédé de caractérisation selon la revendication 1) caractérisé par deux parties complémentaires (planche 3 et 4): - un matériau bio-compatible (1) comprenant une ou plusieurs rigoles sans fond (2). Le plancher des chambres sur lequel les cellules (4) vont pousser est constitué soit d'un verre conducteur (ou non), soit d'un film piézoélectrique (3) appliqué de manière étanche au bio-matériau (1). - des plateaux de balancement, constitués d'un socle (4), sur lequel sont fixés plusieurs plateaux (5), battant par l'intermédiaire de moteurs (6), de manière simultanée à des fréquences différentes et dont un système de réglage (7) permet de varier l'amplitude de balancement de chacun d'eux. 14) Dispositif selon la revendication 13), caractérisé en ce qu'il peut disposer d'un système à 3 électrodes. 15) Dispositif selon la revendication 13), caractérisé en ce que le plancher (3), est constitué d'un matériau bio-compatible transparent portant une charge électrique donnée. 16) Dispositif selon la revendication 13) caractérisé en ce que le plancher (3), est constitué d'un film piézoélectrique selon les revendications 1) à 10). 17) Dispositif selon les revendications 13) à 16) et 1) à 10), caractérisé par son application à l'ensemble des domaines biologiques et médicaux: pousse cellulaire, prolifération cellulaire, fusion cellulaire, stimulation électrique de tissus contractiles, absorption de substances ou composés pharmacologiques ou biologiques, sécrétion de substances biologiques.