Quand un matériau est implanté dans l'organisme (implants orthopédiques, dentaires, cardiovasculaires) ou simplement en contact prolongé avec les tissus vivants (cathéters), les protéines du sang ou du fluide extracellulaire interagissent fortement avec la surface du matériau. Il se forme ainsi un film protéique qui va lui-même interagir avec les cellules du sang ou des tissus environnants. Pour que cette dernière interaction soit favorable, c'est-à-dire, qu'on n'ait pas d'effet de rejet, d'infection ou de coagulation du sang, il faut pouvoir contrôler l'activité biologique des protéines qui est directement reliée à leur structure. Cette structure est fortement dépendante de l'interaction entre la protéine et la surface du matériau. Ces interactions se produisent à l'échelle moléculaire, c'est pourquoi il est très important d'analyser les propriétés physico-chimiques de la surface à l'échelle atomique et moléculaire.
Pour ce faire nous utilisons dans notre groupe les techniques de microscopie à champ proche à balayage: microscopie à effet tunnel (STM), microscopie à force atomique ou effet de force (AFM-SFM), microscopie optique à champ proche à balayage (SNOM). Ces techniques permettent d'obtenir des informations sur les propriétés locales de surface depuis l'échelle du micromètre dans le vide mais aussi dans l'air et dans un fluide ce qui est très important pour l'étude d'objets biologiques. Ces techniques doivent être associées à d'autres techniques plus classiques d'analyse chimique de la surface (spectroscopie Auger, ESCA, SIMS, rayons-X) ainsi qu'à d'autres méthodes d'imagerie microscopique (microscopie optique, microscopie électronique).
Grâce au support de l'Institut Straumann (Waldenburg) qui fabrique des implants dentaires, nous avons commencé nos recherches sur le titane. Ce métal a une très bonne biocompatibilité associée à des propriétés mécaniques qui en font un matériau de prédilection pour les prothèses orthopédiques et dentaires. La biocompatibilité du titane est en effet particulièrement bonne vis à vis de l'os qui croît en contact direct avec sa surface (ossointégration) et assure ainsi une très bonne transmission des contraintes mécaniques. Cette propriété est directement liée à la couche d'oxyde qui passive la surface du métal et que nous étudions intensivement dans notre groupe. Nous avons élargi cette étude à celle des alliages de titane qui ont été développés pour pouvoir moduler les propriétés mécaniques dans l'utilisation pour les prothèses orthopédiques. Ce projet s'est poursuivi avec le support de l'Institut Straumann, de la CERS et du FNRS.
En 1991, nous avons abordé l'étude d'un autre type de biomatériau, les polymères et plus particulièrement les polyuréthanes utilisés en chirurgie cardiovasculaire. Les polyuréthanes constituent une famille de copolymères très utilisée en médecine du fait de leur bonne biocompatibilité. Grâce à leurs propriétés mécaniques on peut les utiliser pour de nombreuses applications: cathéters, greffes vasculaires, ventricules artificiels,... Nous avons à l'aide du AFM, associé à d'autres techniques d'analyse chimique, ESCA, FTIR, étudié les propriétés de surface d'un polyuréthane commercial, le BiomerTM, et montré l'importance des additifs sur les propriétés de surface. Ce projet a été supporté par le FNRS et maintenant le Programme Prioritaire Matériaux des Ecoles Polytechniques. La prochaine phase en collaboration avec l'EPFL, l'ETHZ, l'Université de Berne et Ciba Geigy SA, a porté sur la modification de surface d'un polyuréthane pour améliorer son hémocompatibilité. Pour clôre ce paragraphe sur les polymères, je voudrais signaler notre participation à un projet Eureka, avec HC Implant (Leiden, The Netherlands) et IRCV (London, UK) ayant pour but le développement d'un polymère à base de PEO-PBT qui pourrait être utilsé comme substitut de l'os (Calcimer).
En 1992 nous avons participé à un projet de recherche sur les biosenseurs, regroupant l'EPFL, plusieurs Universités et Industries suisses et supporté par le Programme Prioritaire biotechnologie du FNRS. La partie de ce projet dans laquelle nous sommes impliqués porte sur le développement d'une membrane biologique artificielle permettant d'incorporer des protéines de manière contrôlée comme élément actif d'un biosenseur. Nous avons ainsi été appelés à caractériser avec un AFM modifié pour travailler en mode friction et en mode attractif des films Langmuir-Blodgett de thiolipides en collaboration avec le groupe de Chimie-Physique de l'EPFL. Cette étude s'est poursuivie sur des films auto-assemblés avec différents thiolipides. Dans le cadre d'une collaboration avec le groupe de chirurgie expérimentale du CHUV, nous avons également utilisé des films monomoléculaires auto-assemblés de thiols pour modifier chimiquement une surface d'or et analysé l'absorption de molécules d'albumine sur les surfaces ainsi fonctionalisées au moyen du AFM (rapport GAP 1994).
En parallèle à ces études sur les biomatériaux nous avons poursuivi depuis quelques années l'étude directe d'objets biologiques adsorbés sur différentes surfaces au moyen du STM et du AFM. A travers différents projets supportés par le FNRS, la CERS, Glaxo Institute for Molecular Biology, nous avons observé la fibronectine, l'ADN, les immunoglobulines-G, le phage T4, des bactéries, le trypanosome, ... Ces travaux poursuivis par des étudiants biologistes et biochimistes dans le cadre de thèses de doctorat interdiscipliaire ont montré les difficultés inhérentes à l'utilisation de ces nouvelles microscopies pour imager des objets biologiques : mauvaise conductibilité électrique, fragilité, sensibilité à l'environnement, difficulté de fixation sur un support sans dénaturation, pour indiquer les plus critiques. Ces mesures sont donc particulièrement délicates mais n'en sont pas moins extrêmement importantes car elles permettent d'apporter des informations sur la distribution et la conformation des protéines adsorbées dans des conditions très proches de l'environnement in-vivo. La relation structure-fonction est un des paramètres fondamentaux de la biologie et on peut espérer que les développements ultérieurs de ces nouvelles techniques de microscopie permettent de progresser dans ce domaine. Un nouvel instrument que nous sommes en train de développer dans le groupe, le SNOM, doit permettre une nouvelle approche de l'étude des objets biologiques.
Je conclurai en indiquant que la nature interdisciplinaire de nos recherches nous à amené à avoir une collaboration très étroite avec des groupes de biologie, de chimie et des matériaux dans différentes Universités au niveau Suisse et international.
Pierre Descouts
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