3 questions... à Gilles Aulagner

Biomatériaux : réparer ou régénérer le corps humain

1. Qu’est-ce qu’un biomatériau ?

Un biomatériau est conçu pour interagir avec des systèmes biologiques, pour la constitution d’un dispositif à visée diagnostique ou pour le remplacement d’une fonction d’un organe ou d’un tissu ou pour la conception de dispositifs médicaux (DM). Les DM font appel à plusieurs types de matériaux, dont les propriétés dépendent essentiellement de la nature chimique et des liaisons physico-chimiques. On retrouve des biomatériaux dans les trois grandes familles de matériaux : organiques (les polymères), inorganiques (les céramiques et verres), métalliques.

En plus de leur nature chimique, on peut aussi classer les (bio)matériaux par les différents états de la matière. Ainsi, ils pourront être cristallins – leurs atomes sont organisés périodiquement en trois dimensions – ou amorphes – sans ordre à longue distance –, sous forme solide, de gel, de poudre. Leur structure et microstructure peuvent être modifiées, de même que leurs propriétés de surface. Cette grande diversité de compositions et de formes physiques entraîne une très large gamme de propriétés, offrant un choix immense à faire en fonction de l’application visée.

2. Quel rôle jouent les biomatériaux dans la conception des DM ?

En 2019, le marché mondial des biomatériaux était estimé à environ 100 milliards d’euros. Du fait de leur utilisation dans de très nombreuses applications cliniques, les biomatériaux participent directement au développement et à l’amélioration des performances des DM avec une croissance prévue de 15 % par an. Vaisseaux artificiels, valves cardiaques, stents, implants dentaires, prothèses de hanche, os ou cartilage synthétique, cœur artificiel, broches, drains, pompes portables ou encore greffes de cellules ou de tissus... Les biomatériaux entrent dans la conception et la fabrication des implants et prothèses (le marché étant largement porté par l’orthopédie, le cardiovasculaire et la neurologie), mais aussi dans les outils de diagnostic et de contrôle (imagerie, capteurs, etc.) et de plus en plus dans le développement de l’ingénierie tissulaire ou des organoïdes. Les biomatériaux servent alors d’échafauds à la culture cellulaire 3D en favorisant les processus biologiques désirés. Les DM devenant de plus en plus connectés, les biomatériaux doivent offrir un panel de propriétés biologiques et physiques diversifiées pour répondre à un cahier des charges de plus en plus complexe. Depuis plusieurs années, on passe également de l’utilisation de matériaux « de rencontre » (c’est-à-dire déjà développés par ailleurs pour d’autres applications industrielles puis utilisés dans le domaine biomédical) à des matériaux spécifiques développés « sur mesure’ pour favoriser des processus biologiques ad hoc.

3. De nouvelles méthodes de fabrication ?

L’avènement de la fabrication additive, communément appelée « impression 3D », bouleverse notre conception de la fabrication des matériaux. Toutes les familles de matériaux sont concernées. Il est possible de modifier la géométrie et l’architecture interne, en rendant accessibles des formes non disponibles par d’autres technologies et de proposer des dispositifs (prothèses, implants) personnalisés et des architectures spécifiques, à la demande. En y associant des cellules et d’autres produits biologiques, on « imprime » une structure 3D composée de cellules, de biomolécules d’intérêt biologique et d’une matrice composée de biomatériau.

On parle alors de « bio-impression ». En ajoutant à la fabrication d'objets par superposition de couches successives (3D) une quatrième dimension, le temps, on parle d’impression 4D. Il est alors envisageable de créer des objets qui sentent leur environnement et s’adaptent à des stimuli par rapport aux fonctions évolutives recherchées (déploiement d’une structure,
précipitation de nouvelles phases, résorption modulée, etc.) comme une aile d'avion qui adapterait son aérodynamisme pendant le vol ou une gélule médicale qui agirait en fonction de la fièvre du patient...

* Avec les Professeurs Jérôme Chevalier et Laurent Gremillard
Univ Lyon, INSA-Lyon, UCBL1, CNRS, MATEIS UMR 5510, 69621 Villeurbanne