Biomatériaux et Génie Tissulaire en Urologie - PARTIE A : Aspects Généraux - Chapitre III : Biomatériaux, Biomatériels et Biocompatibilité

15 juillet 2006

Mots clés : biomatériaux
Auteurs : Jean-Louis PARIENTE, Laurence BORDENAVE, Pierre CONORT
Référence : Prog Urol, 2005, 15, 5, 887-890

I. Biomatériau

La préservation de l'intégrité corporelle, la réparation des lésions tissulaires et la mise au point de systèmes visant à pallier les déficiences fonctionnelles ont conduit à l'utilisation de matériaux non-vivants au contact de l'organisme. Ces procédures déjà utilisées dans l'Antiquité ont amené à définir beaucoup plus récemment le concept de biomatériau.

1. Définition d'un Biomatériau

Dans son activité quotidienne, l'Urologue fait appel à tout instant aux biomatériaux au cours de gestes diagnostiques, préventifs ou thérapeutiques. La Société Européenne des Biomatériaux (European Society for Biomaterials) a défini en 1986 ce qu'elle a complété en 1991, lors de la conférence de Chester (UK), un biomatériau comme « un matériau conçu pour interagir avec les systèmes biologiques». Cette définition pourrait être complétée de la façon suivante «un matériau conçu pour interagir avec les systèmes biologiques, qu'il participe à la constitution d'un dispositif à visée diagnostique ou à celle d'un substitut de tissu ou d'organe ou encore à celle d'un dispositif de suppléance (ou d'assistance ) fonctionnelle ». Le domaine des biomatériaux est donc très vaste et regroupe plusieurs milliers de produits, d'origine naturelle pour certains ou dérivant directement du domaine des matériaux de synthèse, ou non, pour les autres, à l'expresse condition de leur absence d'effet délétère pour l'organisme [17]. Les biomatériaux peuvent être classé en quatre groupes :

- Métaux et alliages métalliques,

- Céramiques,

- Polymères et « matières molles »,

- Matériaux d'origine naturelle.

2. Définition d'un Biomatériel

C'est un objet composé de un ou plusieurs biomatériaux bruts ou mis en oeuvre : extrusion, tissage...etc. Par exemple le polypropylène est un biomatériau et une bandelette sous-urétrale un biomatériel. Aujourd'hui le terme de dispositif médical (DM) implantable est utilisé pour les biomatériels composés de biomatériaux synthétiques. Cette notion « d'implantabilité » correspond à une durée d'utilisation dans le corps humain de plus de 30 jours. Cette notion reste critiquable car des effets délétères peuvent être susceptibles d'apparaître avant ces 30 jours.

II. Réponse biologique de l'organisme à l'introduction d'un biomatériau

Quelle que soit sa qualité, un biomatériau reste un corps étranger et son introduction dans l'organisme, entraîne une réaction plus ou moins importante du tissu environnant. La réaction tissulaire constitue une réaction inflammatoire a minima, où l'on retrouve les cinq phases classiques de l'inflammation, les trois premières étant généralement faibles et inapparentes : phase initiale d'induction, phase d'hyperhémie et de stase sanguine, phase d'exsudation plasmatique, phase d'infiltration cellulaire et phase de réparation. Cependant ce type de réaction dépend du tissu cible et de la durée de contact avec ce tissu. Au sein d'une cavité naturelle c'est la muqueuse et plus spécifiquement l'épithélium qui joue le rôle d'interface entre l'organisme et le matériau. La phase de réparation peut se faire de trois façons :

- Intégration harmonieuse et colonisation par des tissus vivants,

- Encapsulation par une coque fibreuse et tolérance,

- Élimination spontanée dans des délais variables, notamment en cas d'infection.

Un certain nombre de critères déterminent cette réaction, comme la nature même du matériau, l'état et l'importance de la surface de contact avec l'organisme. Obtenir une réaction d'intégration favorable conduit à définir la biocompatibilité.

III. Biocompatibilité

1. Définition de la Biocompatibilité

La biocompatibilité a été définie de façon consensuelle sous l'égide de la même société (European Society for Biomaterials), comme la « capacité d'un matériau à induire une réponse appropriée de l'hôte dans une application spécifique ». La biocompatibilité intègre l'ensemble des phénomènes mis en jeu dans un environnement biologique : absence de toxicité du matériau pour l'organisme et absence de dégradation du matériau par l'organisme. Ainsi biocompatible signifie d'une part que le matériau n'est pas à l'origine de phénomènes locaux ou systémiques néfastes pour la santé du receveur (toxicité, carcinogénicité) et d'autre part que les tissus du receveur et les fluides physiologiques (en particulier les urines) ne sont pas susceptibles d'altérer le matériau au détriment de ses qualités intrinsèques ou au risque de générer des produits de dégradation toxiques [14,15,16]. Plus la relation matériau-tissu doit être maintenue longtemps, plus cette exigence doit être satisfaite. Ceci pourrait être résumé sous le terme : « travail sous contrainte biologique ». La biocompatibilité idéale est toujours très difficile à atteindre et il faut tendre vers un compromis cliniquement acceptable.

2. Problématique

Depuis une vingtaine d'années des modifications de la surface des biomatériaux ont pu être réalisées. L'utilisation de molécules biologiquement actives tels que les radicaux « heparin-like » ou les peptides RGD (en français : Arginine - Glycine - Acide Aspartique), permet d'obtenir une certaine fonctionnalisation du matériau et l'amélioration de son intégration. Cette notion de fonctionnalisation a progressivement conduit au concept de génie tissulaire associant un biomatériau et une composante cellulaire. La biocompatibilité est donc une propriété d'interface pluri-factorielle, influencée par le contexte de l'utilisation : site tissulaire concerné et contexte inflammatoire créé par l'acte chirurgical associé. En outre, les conditions d'utilisation par l'Urologue sont également à prendre en compte pour exploiter, au mieux de ses performances, un matériel innovant soit par le concept, soit par le ou les matériaux mis en oeuvre. En Urologie, la biocompatibilité des matériaux destinés à être au contact de l'urine et de la voie excrétrice requiert des exigences particulières. Ceci concerne aussi bien les incrustation que le relargage de produits par l'urine qui joue le rôle de véhicule d'extraction [2,7,9,11].

IV. Méthodes d'évaluation de la biocompatibilité générale

Notion relative, la biocompatibilité n'est pas une grandeur mesurable, tout au plus peut-on prétendre apprécier la biocompatibilité d'un matériau à travers la comparaison de son comportement, dans des circonstances expérimentales codifiées, à celui de matériaux dits de référence.

1. Principes généraux

Le choix et l'évaluation de tout matériau, matériel ou dispositif destiné à être utilisé chez l'Homme, exige un programme d'évaluation structuré. Une étude de la biocompatibilité a deux objectifs principaux : d'une part, prouver l'absence vraisemblable d'effet délétère du matériau ou dispositif considéré, et d'autre part, accumuler des données prédictives du comportement in vivo du matériau ou dispositif. Dans la stratégie globale d'évaluation de la biocompatibilité, il faut tenir compte non seulement des caractéristiques et des propriétés (physiques, chimiques, mécaniques et morphologiques) des matériaux, mais aussi de la tolérance de ces matériaux. Ces propriétés sont appréhendées au cours de l'évaluation biologique in vitro avant d'envisager les études in vivo chez l'animal.

La biocompatibilité générale regroupe donc 4 points :

- Des études physico-chimiques du Biomatériau,

- Des études de cytotoxicité,

- Des études du potentiel de mutagenèse,

- Des études du potentiel de carcinogenèse.

Ainsi des essais à court et à long terme sont destinés à évaluer les risques potentiels des matériaux et/ou des produits finis, à apprécier leur fonctionnalité et à prédire au mieux leur comportement en situation clinique.

2. Aspect normatif (cf Chapitre marquage CE)

La norme européenne EN 30993 (1994) présentée sous le titre général "Evaluation biologique des dispositifs médicaux" est remplacée par la norme internationale ISO 10993 (décembre 1997) [1,12]. Elle comprend 17 parties référencées NF EN ISO 10993-1 à NF EN ISO 10993-17.

La partie 1 du document dénommée "Evaluation et essais" fournit des lignes directrices concernant les principes fondamentaux sur lesquels sont basés l'évaluation biologique des dispositifs médicaux et le choix des essais appropriés pour chaque catégorie de dispositifs en fonction de la durée et de la nature du contact avec le corps humain. Ces principes sont applicables aux matériaux, aux éléments ajoutés au cours de l'élaboration du dispositif, aux substances relargables, aux produits de dégradation, aux autres composants et enfin aux propriétés et caractéristiques du produit fini.

Les parties ultérieures de 2 à 17 concernent :

2 Les exigences concernant la protection des animaux

3 Les essais concernant la génotoxicité, la cancérogénicité et la toxicité sur la reproduction

4 Les choix des essais concernant les interactions avec le sang

5 Les essais concernant la cytotoxicité - Méthodes in vitro

6 Les essais concernant les effets locaux après implantation

7 Les résidus de stérilisation à l'oxyde d'éthylène

8 Sélection et quantification des matériaux de référence utilisés pour les essais biologiques

9 Le cadre d'identification et de quantification des produits de dégradation potentielle

10 Les essais d'irritation et de sensibilisation

11 Les essais de toxicité systémique

12 La préparation des échantillons et matériaux de référence

13 L'identification et la quantification de produits de dégradation de dispositifs médicaux en polymères

14 L'identification et la quantification de produits de dégradation de céramiques

15 L'identification et la quantification de produits de dégradation de métaux et alliages

16 Conception des études toxicocinétiques des produits de dégradation et des substances relargables

17 Etablissement des limites admissibles des substances relargables

3. Les études in vitro : Intérêt des techniques de culture cellulaire

Les études chez l'animal sont toujours très lourdes à mettre en oeuvre et posent des problèmes réglementaires et éthiques. Pour cette raison, les études in vitro faisant appel à des techniques de culture cellulaire doivent être réalisées en première intention. Ces techniques permettent d'éliminer des étapes ultérieures.

Pour démontrer l'absence de toxicité d'un matériau, la cellule peut être considérée comme la plus petite unité fonctionnelle susceptible d'en percevoir le potentiel toxique éventuel [5,6]. Des lignées cellulaires, dont la cinétique de prolifération et la sensibilité aux toxiques sont bien codifiées, sont préconisées par la norme NF EN ISO 10993-5.

Ces méthodes de culture cellulaire consistent en l'incubation des cellules en culture avec soit des extraits des matériaux obtenus dans des conditions normalisées, soit les matériaux eux-mêmes par contact direct ou indirect (diffusion à travers l'agar ou à travers un filtre) dont les éprouvettes doivent être normalisées :

- Les tests à partir d'extraits du matériau permettent de rechercher si des substances plus ou moins toxiques peuvent être relarguées par le matériau. Ces extraits sont mis au contact d'une monocouche cellulaire pendant au moins 24 heures. Des tests de viabilité cellulaire, et d'activité métabolique sont alors réalisés pour d'évaluer l'effet de l'extrait sur les cellules.

- Les tests de contact direct et/ou indirect (en fonction des caractéristiques physiques du matériau) permettent de reproduire in vitro, sur une monocouche cellulaire le contact existant in vivo entre le matériel et la cellule. Au terme de ce contact, le matériel est retiré et des tests de viabilité cellulaire, d'activité métabolique et de prolifération cellulaire sont réalisés permettant évaluer l'effet du matériel sur les cellules.

Différents modes d'évaluation, dont le choix est laissé à l'expérimentateur, doivent être utilisés pour rechercher ou comparer d'éventuels effets délétères des matériaux ou de leurs extraits sur ces cultures cellulaires, [3,4,8,10,13]. Pendant plusieurs années, la plupart des essais in vitro furent basés sur des tests qualitatifs de cytotoxicité réalisés à l'aide de lignées cellulaires permanentes, ou d'origine embryonnaire, ou transformées, ou néoplasiques. Ces cellules sont peu différenciées et leur caractéristique principale est une expansion numérique rapide qui ne reflète en aucune manière la réalité physiologique du tissu cible humain auquel le matériau sera confronté lors de sa future utilisation.

La tendance actuelle, dans le domaine des tests in vitro, est représentée par l'utilisation de cultures de cellules différenciées. En effet, ces cellules sont engagées dans la synthèse et la sécrétion de protéines spécifiques ainsi que dans la régulation de l'homéostasie de leur matrice extracellulaire. Ces techniques de cultures de cellules différenciées permettent une évaluation qualitative, quantitative et statistique de la cytocompatibilité et non plus de la cytotoxicité. Ces techniques de cytocompatibilité font partie des études de biocompatibilité spécifique, c'est-à-dire liée au site d'implantation du biomatériau.

4. Les limites des tests in vitro

Ces tests in vitro ne représentent qu'une première estimation dans l'évaluation de la biocompatibilité d'un matériau. Ils ont l'avantage d'être des méthodes rapides et sensibles de criblage, mais malheureusement, ils fixent implicitement des limites aux prédictions que l'on serait tenté de faire sur le comportement in vivo des matériaux ou des dispositifs considérés. Le problème de la transposition des résultats obtenus in vitro à l'application en clinique humaine reste entier et les renseignements ultimes ne pourront être fournis que par l'étude des interactions hôte/biomatériau in vivo chez un modèle animal ou chez l'homme. Cependant, l'évaluation des effets locaux après implantation chez l'animal (NF EN ISO 10993-6) sert uniquement à déterminer les effets semi-chroniques (implantation à court terme jusqu'à 12 semaines) ou chroniques (implantation à long terme, plus de 12 semaines). Ces essais ne cherchent pas à évaluer l'efficacité du matériau (les implants ne sont pas soumis à des charges mécaniques ou fonctionnelles, et ne sont pas forcément implantés dans le site receveur pour lequel ils sont prévus). Ces expérimentations répondent cependant à des exigences normatives très strictes quant aux caractéristiques des éprouvettes d'implant utilisées (forme, taille, état de surface des échantillons et des éprouvettes témoins), au nombre d'implants par site et par animal, aux types d'animaux utilisées (rongeurs, ovins, porcins, canins), à la période d'essai, aux sites d'implantation (tissus sous-cutané, musculaire et osseux). Une attention toute particulière est apportée au respect des animaux de laboratoire : protocole soumis aux autorités (services vétérinaires départementaux qui doivent donner leur accord), locaux et personnels agréés, établissement d'une procédure d'anesthésie, de chirurgie et d'euthanasie. L'évaluation de la réaction biologique doit également suivre des procédures normées décrivant la technique de prélèvement, l'évaluation macroscopique, la préparation histologique des échantillons ainsi que les éléments d'analyse pertinents à relever.

Il est important de garder à l'esprit que l'évaluation de la biocompatibilité d'un biomatériau est complexe et nécessite plus ou moins de tests en fonction de la nature du matériau, du site futur d'implantation et de la durée d'implantation (NF EN ISO 10993-1). En effet, les essais initiaux d'évaluation peuvent comporter des études de cytotoxicité, de sensibilisation, d'irritation, de toxicité systémique, de toxicité subchronique, de génotoxicité, d'hémocompatibilité et requérir l'implantation. Si nécessaires, ces tests doivent être complétés par des tests de toxicité chronique, de cancérogénicité, de toxicité de la reproduction et du développement, et de tests de biodégradation.

V. Biocompatibilité spécifique

La biocompatibilité spécifique intègre, comme nous l'avons précisé plus haut, tous les phénomènes liés au site d'implantation du matériau. La biocompatibilité spécifique regroupe 4 points :

- Des études de comportement mécanique,

- Des études de cytocompatibilité,

- Des études de réaction locale après implantation,

- Le contrôle in vivo de l'adéquation fonctionnelle par implantation à long terme.

Les matériaux utilisés en Urologie peuvent être au contact des tissus mous et relèvent dans ces conditions, de la biocompatibilité générale. Par contre, le contact avec la voie excrétrice et les urines représente une des spécificités de l'Urologie. C'est ce point très spécifique qui doit faire l'objet d'une attention toute particulière lors de l'élaboration ou de l'évaluation d'un biomatériau destiné à être au contact de cette voie excrétrice et des urines. Ce point particulier sera développé dans le chapitre concernant les sondes et endoprothèses (Partie B, Chaptitre II).

Références

1. AFNOR NF EN 30993-5 - ISO 10993-5 : Evaluation biologique des dispositifs médicaux. Partie 5 : Essais concernant la cytotoxicité : Méthodes in vitro. Novembre 1994.

2. FLAVELL P. : Selecting the correct medical-grade polymer Medical Device Technology, 1996, nov, 16-22.

3. GRAHAM D.T., MARK G.E ., POMEROY A.R. : Cellular toxicity of urinary catheters. Med. J. Austr., 1983, 1 : 456-459.

4. GRAHAM D.T., MARK G.E., POMEROY A.R., MACARTHUR E.B. : In vivo validation of a cell culture test for biocompatibility testing of urinary catheters. J. Biomat. Mater Res., 1984, 18 : 1125-1135

5. HARMAND M.F., BORDENAVE L., BAREILLE R., NAJI A., JEANDOT R., ROUAIS F., DUCASSOU D. : In vitro evaluation of an epoxy resin's cytocompatibility using cell lines and human differentiated cells. J. Biomater Sci. Polymer Edn, 1991, 2, 1 : 67-79 .

6. HARMAND M.F., BORDENAVE L., DUPHIL R., JEANDOT R., DUCASSOU D. Human differentiated cell cultures : in vitro models for characterization of cell/biomaterial interface In : Biological and biomechanical performances of biomaterials, Edited by P. Christel, A. Meunier and A.J. C. Lee. Amsterdam : Elsevier Science Publishers B.V., 1986, 361-366.

7. HOLMES S.A.V., CHENG C., WHITFIELD H.N. : The development of synthetic polymers that resist encrustation on exposure to urine. Br. J. Urol., 1992, 69 : 651-655.

8. JOHNSON H.J., NORTHUP S.J., SEAGRAVES P.A. : Biocompatibility test procedures for materials evaluation in vitro. I - Comparative test system sensitivity. J. Biomed. Mat. Res., 1983, 17 : 571-586.

9. KLINGE U, KLOSTERHALFEN B, MULLER M, SCHUMPELICK V. Foreign body reaction to meshes used for the repair of abdominal wall hernias. Eur J Surg. 1999 ;165(7):665-73.

10. NACEY J.N., HORSFALL D.J., DELAHUNT B., MARSHALL V.R. : The assessment of urinary catheter toxicity using cell cultures : validation by comparison with an animal model. J. Urol. , 1986 , 136 : 706-709.

11. RATNER B.D.: Characterization of graft polymers for biomedical applications. J. Biomed. Mat. Res., 1980, 14, 665-687

12. Standard practice for direct contact cell culture evaluation of materials for medical devices. Annual Book of ASTM Standards, Medical Devices and Services Section 13, 1991, F 813-83, 277279.

13. TALJA M., ANDERSON L.C., RUUTU M. : Toxicity testing of urinary catheters. Br. J. Urol., 1985 , 57 : 579-584.

14. TALJA M. : Rat peritoneal implantation test. Br. J. Urol., 1985 , 57 : 329-333.

15. TALJA M., RUUTU M., ANDERSON L.C., ALFTHAN O. : Urinary catheter structure and testing methods in relation to tissue toxicity. Br. J. Urol., 1986, 58 : 443.

16. UPHILL P.F., CHRISTOPHER D.H. Developing a positive control for cytotoxicity testing of medical device materials. Medical Device Technology., 1990, Nov, 24-27.

17. WILLIAMS DF "Definitions in Biomaterials, Second Consensus Meeting, Eur. Soc. Biomat., Chester, UK, September 1991, Ed Elsevier.