Biomatériaux et Génie Tissulaire en Urologie - PARTIE A : Aspects Généraux - Chapitre I : Histoire des Matériaux ou de l'âge de pierre aux matières plastiques

15 juillet 2006

Mots clés : Histoire, biomatériaux
Auteurs : Jean-Louis PARIENTE, Pierre CONORT
Référence : Prog Urol, 2005, 15, 5, 863-864

I. L'homme et les matériaux

Depuis la préhistoire, l'Homme a toujours su aller chercher et utiliser les matières disponibles autour de lui pour se vêtir, construire des outils, se fabriquer un abri. Ces matières d'origine animale, végétale ou minérale sont donc devenues des matériaux, c'est-à-dire de la matière exploitée à des fins pratiques. De l'âge de pierre à l'âge de fer, l'outil s'est perfectionné, les matériaux ont évolué : de la pierre aux métaux, suivi des alliages et plus tard des céramiques pour arriver aujourd'hui aux macromolécules de synthèse.

II. Des matériaux aux biomatériaux

D'abord l'Homme a cherché à soigner ses blessures, avec des médications à base de plantes, puis les premiers gestes chirurgicaux sont apparus. Des matériaux ont alors été utilisés pour améliorer le geste ou remplacer l'organe ou la fonction. Trois mille ans avant Jésus-Christ, on retrouve chez les Égyptiens la notion de fermeture d'orifices de trépanation, chez les Chinois l'utilisation de fils de sutures en soie et des sutures vasculaires chez les gladiateurs : les premiers biomatériaux étaient nés. Le terme « prothèse » vient du grec « prothesis » de « pro » (à la place de) et « thesis » (action de poser), et la définition donnée par le dictionnaire est la suivante : « pièce ou appareil destinés à remplacer totalement ou partiellement un organe ou un membre, ou à rétablir une fonction ». Si l'on a régulièrement l'habitude d'attribuer à Ambroise Paré la primeur d'avoir mis au point des prothèses fonctionnelles pour les amputés revenant des champs de bataille, les découvertes en Egypte d'un pied artificiel datant de 2300 ans avant JC et d'une main articulée vieille de quelques 2000 ans montrent bien que l'esprit ingénieux de l'Homme a, de tout temps, cherché à réparer les déficiences du corps humain. Au XVème siècle, Léonard de Vinci dessinait un oeil artificiel pendant que des horlogers suisses fabriquaient des mains articulées en fer forgé.

Mais des matériaux, spécifiquement dédiés à l'Urologie, existaient déjà chez les Egyptiens, comme en témoignent les sondes urinaires en cuivre ou en étain qui ont été retrouvées. Les Hindous, mille ans avant notre ère, dilataient l'urètre avec des tiges d'or, de fer ou de bois. Les Chinois fabriquaient leurs sondes avec de la pelure d'oignon roulée et enduite de laque. Les premières sondes parvenues jusqu'à nous sont celles des Romains. Elles étaient en cuivre ou en airain. Le concept du cathétérisme est attribué à Hippocrate qui le premier décrivit un instrument métallique utilisé pour drainer une cavité. Les sondes métalliques furent utilisées jusqu'au XXème siècle. La recherche de sondes flexibles pour pallier la rigidité des sondes en métal conduisit les Arabes à utiliser la peau de poisson, ou en Europe le cuir mince collé. Mais les urines pénétraient le cuir et dissolvaient la colle. En 1768, Macquer eut le premier l'idée d'utiliser, pour la confection d'une sonde, le latex ramené d'Amérique Centrale par Christophe Colomb, mais le caoutchouc non vulcanisé ne gardait pas sa forme. Bernard (un bijoutier de Paris) recouvrit un tissu de soie de caoutchouc, mais les sondes ainsi réalisées se ramollissaient, se crevassaient et devenaient cassantes. En 1844 la vulcanisation découverte par Goodyear permit la réalisation de sondes plus résistantes à l'urine, dont les propriétés physiques étaient beaucoup plus intéressantes. Ce n'est qu'après la dernière guerre, que l'apparition des matières synthétiques permît la réalisation de sondes à la demande pouvant présenter toutes les caractéristiques désirées [2,3].

III. Matériaux synthétiques

Les résines dont on se sert pour la fabrication des plastiques existent depuis bien plus longtemps que l'industrie des matières plastiques. On trouve des résines naturelles dans l'écaille de tortue, la sève d'un arbre ou l'estomac d'une vache. Ce n'est qu'au dix-huitième siècle que l'on a été capable de transformer ces résines. La chimie a permis la découverte de nouveaux types de plastiques et le potentiel des matières plastiques n'a pas tardé à se manifester. A la suite d'un embargo sur l'ivoire, en 1869, les frères Hyatt inventent, par mélange de la cellulose du bois à chaud avec du camphre, le celluloïd ou nitrate de cellulose, permettant ainsi pendant la guerre de Sécession la fabrication de boules de billard. Le polychlorure de vinyle (PVC) est inventé en 1880. Le celluloïd sera remplacé dès 1890 par des boules en galalithe, matière obtenue par un chimiste français, M. Trilla, en 1889, travaillant sur la caséine du lait. Cette matière est plus dure que la corne, plus brillante que l'os et plus soyeuse au toucher que l'ivoire. C'est en 1890 que les Anglais Cross et Bewan obtiennent la Viscose grâce à l'action d'un solvant chloré sur de l'acétate de cellulose. Le Belge Léo Baekeland découvre la bakélite en 1907. Pendant les années folles, l'industrialisation fait enchaîner les découvertes : en 1927 synthèse du polyméthacrylate de méthyle (PMMA), commercialement plus connu sous les noms de Plexiglas® et d'Altuglas®. En 1930 Wallace Carothers obtient le polystyrène (PS) et en 1941, le polyamide (PA) baptisé Nylon® (Dupont de Nemours). Les polyamides ont été utilisés dans l'industrie textile et pour la fabrication de toile de parachute, en raison de ses caractéristiques intéressantes sur le plan mécanique. L'inconvénient principal étant l'hydrophilie. En 1933 le polyéthylène basse densité (PEBD) est inventé par EW Fawcett et RO Gibson. C'est la matière plastique la plus employée encore aujourd'hui, notamment pour les emballages (sacs, films, sachets, récipients souples...). En 1938 Roy Plunkett découvre le polytétrafluoroéthylène (Téflon® ), par accident. Cette découverte révolutionnaire s'est produite parce qu'il avait laissé du fréon dans un congélateur pendant la nuit. Le gaz s'est alors transformé en une poudre compacte blanche. Le Téflon® est unique en raison de son insensibilité aux acides et aux variations de température. En 1940 le polyuréthane est découvert. Il présente un intérêt majeur pour sa résistance mécanique. En 1941 la mélamine a été synthétisée et ses propriétés de résistance à la chaleur, à la lumière, aux produits chimiques et au feu expliquent son succès après-guerre. En 1941 le silicone est découvert et en 1945 en Allemagne, la production de caoutchouc synthétique, le néo-buta remplace le Latex victime d'un embargo pendant la guerre.

Après la deuxième guerre mondiale, de nouvelles matières furent synthétisées : polyamides, polycarbonates, polyacétals, résines époxyde, puis en 1953 le polyéthylène haute densité (PEHD) par le chimiste allemand Karl Ziegler. Il est utilisé pour des produits plus rigides (flacons, bouteilles, boîtes hermétiques...). Un an plus tard, le polypropylène isotactique (PP) était mis au point par le chimiste italien Giulio Natta. En 1958 Schnell, Bottenbruch et Krimm donnent naissance au polycarbonate, matière plastique très résistante, transparente, qui sert aujourd'hui à la fabrication des CD, des objectifs d'appareil photos et des casques de moto. Ziegler et Natta se partagèrent en 1963 le prix Nobel de chimie grâce à leurs travaux sur les polymères et en particulier sur le procédé de polymérisation Ziegler-Natta qui porte encore leurs noms. Ces deux dernières matières plastiques (le polyéthylène et le polypropylène) sont encore largement utilisées de nos jours.

Plus récemment, dans les années 1990, sont nés l'ABS® (terpolymère à base d'acrylonitrile, de butadiène et de styrène) plus résistant et plus brillant et le Kevlar® qui est un polyamide très résistant aux chocs et au feu.

Aujourd'hui, tous les secteurs de l'activité humaine exploitent des composés à base de macromolécules, souvent en remplacement de matériaux naturels : que ce soient des secteurs industriels utilisant de très gros tonnages (bâtiment, emballage, revêtement...), ou des secteurs de pointe (électronique, spatial, médecine...), utilisant des volumes beaucoup plus faibles mais à bien plus haute valeur ajoutée [1,4].

IV. Matériaux composites

L'association de matériaux présente un intérêt évident pour cumuler des propriétés. Le bois fut le premier matériau composite naturel utilisé, ensuite le torchis a été utilisé en construction pour ses propriétés d'isolation et de coût. Parmi les premiers composites fabriqués par l'homme, on trouve également les arcs Mongols (2000 ans avant J.C.). Leur âme en bois était contrecollée de tendon au dos et de corne sur sa face interne. Les sabres japonais traditionnels sont aussi un exemple de matériaux composites très ancien. Les forgerons nippons procédaient au pliage et au martèlement du métal jusqu'à obtenir une sorte de pâte feuilletée pouvant être composée de plus de 4000 couches. Le procédé de pliage était utilisé pour maîtriser précisément l'uniformité de l'acier ainsi que sa composition en carbone tout en conférant à la lame ses propriétés de résistance et de souplesse. En 1823 Charles Macintosh créé l'imperméable en associant du caoutchouc avec des tissus comme le coton. En 1892 François Hennebique dépose le brevet du béton armé. Aujourd'hui en médecine les composites sont également utilisés.

V. Les biomatériaux d'aujourd'hui

Toute cette révolution technologique a permis de faire bénéficier la chirurgie et l'Urologie de ces avancées. Ces matières synthétiques ont d'abord été utilisées directement en injection pour leur effet de volume, pour le reflux vésico-urétéral puis pour l'incontinence. Parallèlement les techniques de plasturgie et l'essor de l'industrie textile ont permis la réalisation de sondes urinaires et de différents tissus de renfort utilisés d'abord comme renfort pariétal, pour les cures de hernies et d'éventrations, puis pour les cures de prolapsus et d'incontinence. Enfin plus récemment des dispositifs plus élaborés ont été réalisés puis utilisés comme les prothèses péniennes et le sphincter artificiel. L'avenir permettra d'adapter à l'homme, par modifications physiques ou chimiques ces matériaux qui proviennent de l'industrie.

Références

1. BOST J. Matières plastiques : chimie, applications. Ed Technique & Documentation Paris 1980, 1-364.

2. KÜSS R., GREGOIR W. : Histoire illustrée de l'Urologie. Ed R. Dacosta Paris 1988

3. LYONS A.S., PETRUCELLI R.J. : Histoire illustrée de la médecine, Ed H.N. ABRAMS New-York 1878

4. http://fr.wikipedia.org/wiki/Matière_plastique