Matériaux pour la santé

Physique pour la Santé - 5e année - Semestre 1
UE2 - Matériaux pour la santé

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Cette UE comprend les matières suivantes :

• Électronique pour la santé (12 hC, 5 hTD)
• Alliages métalliques (16 hC, 8 hTD)
• Interaction nanomatériaux et systèmes biologiques (10 hC, 4 hTD)
• Polymères pour la santé (8 hC, 4 hTD)
• Matériaux à mémoire  de forme (8 hC, 4 hTD)

Électronique pour la santé

Aperçu des différents systèmes électroniques, composants ou capteurs qui sont utilisés dans l’instrumentation bio-médicale

Alliages métalliques

• Identifier les problématiques liées aux applications d’alliages métalliques pour la santé
• Connaître les grandes familles d’alliages ainsi que leurs propriétés d’application
• Identifier les procédés métallurgiques courant permettant d’agir sur les propriétés d’application d’un alliage.

Interaction nanomatériaux et systèmes biologiques

• Introduire le problème de l’interaction entre systèmes à l’échelle nanométrique et les systèmes biologiques.
• Classifier les nanomatériaux selon différents critères.
• Traiter des exemples marquants d’interaction (intentionnelle ou non) entre nanomatériaux et systèmes biologiques.

Polymères pour la santé

• Identifier un champ d’application des polymères dans le domaine biomédical / Etablir des connexions entre la physique des polymères et le domaine de la santé
• Se confronter à des systèmes innovants, tant au niveau du design du matériau que de l’application
• Introduire des notions de physique des polymères (structure et dynamiques) nécessaires à la compréhension du comportement des matériaux à l’usage.
• Proposer un cadre dans lequel l’ingénierie et la science des matériaux viennent répondre à des problématiques de santé.

Matériaux à mémoire  de forme

• Les matériaux intelligents : définitions et grandeurs caractéristiques
• Les Alliages à Mémoire de Forme : applications et propriétés
• Connaître les états métallurgiques des AMF
• Dimensionner les AMF

Électronique : électricité et électronique des années antérieures

Matériaux : connaissance des différents matériaux, choix des matériaux en conception, connaissance des propriétés des matériaux métalliques. Microstructure des polymères, Analyse thermique, Viscoélasticité, Mécanique des matériaux, Mécanique des Milieux Continus

Contrôle continu

Electronique

• Les différents types de signaux, capteur et instrumentation bio-médicale.
• Imagerie médicale : détecteurs et électronique associée
• Electronique implantable : suivi médical, administration de médicaments, prothèses, batteries
• Systèmes innovants : laboratoire sur puces, MEMS etc…

Alliages métalliques

Les alliages métalliques sont communément classés en différentes familles (les ferreux et les non ferreux, les alliages à haute valeur ajoutée, les alliages haute température, les alliages légers…) et leur classification est parfois relative à leur application. Néanmoins, des alliages élaborés pour l’aéronautique sont utilisables pour des prothèses articulaires, quand des alliages de magnésium conçues pour des applications structurales sont envisagés pour des angioplasties. Les familles d’alliages rencontrées pour des applications dans le domaine de la santé sont donc le plus souvent issues de domaines bien différents. Toutefois, des nouvelles contraintes spécifiques liées à leur environnement d’utilisation (e.g. corrosion in vivo, résistance au frottement, cytotoxicité) requièrent de nombreux ajustements dans leur conception.

Les propriétés d’application des alliages métalliques sont étroitement liées aux éléments qui les composent ainsi qu’à leur micro ou nanostructure. Ces dernières dérivent des traitements thermomécaniques appliqués ainsi que des procédés d’élaboration utilisés. Cet enseignement dresse un panorama des différentes familles d’alliages utilisés dans le domaine de la santé. Les grandes caractéristiques de ces matériaux sont présentées ainsi que l’ensemble des moyens de mise en œuvre qui permettent d’ajuster leurs propriétés en vue des applications visées.

De nombreux exemples sont donnés qui concernent des applications pour la santé actuelles ou envisagées à l’aune des recherches en cours.

Interaction entre nanomatériaux et systèmes biologiques

• Les nanomatériaux : origine, composition, paramètres morphologiques, présence dans l’environnement.
• Les mécanismes d’exposition d’un système biologique aux nanomatériaux (environnement, pollution, cosmétique, alimentation, médicaments…).
• Les mécanismes d’interaction entre nanomatériaux et systèmes biologiques (exemples sélectionnés).

Polymères pour la santé

Polymères biorésorbables (PLA, polydioxanone…)

• Généralités et applications (implants, régénération osseuse…) / Design (par fabrication additive ou autre) / Propriétés macroscopiques (2h)
• Biorésorbabilité / Dégradation/ Diffusion / Sorption (2h)
• Morphologie et microstructure / Modèle à trois phases / Amorphe rigide (2h)
• Vieillissement et dynamiques de l’amorphe (2h)

Hydrogels pour applications biomédicales (2h)

Relations structure / propriétés + applications (lentilles de contact, galénique, ingénierie tissulaire…)

Polymères conducteurs (2h)

Découverte et synthèse / Conductivité et dopage / Applications et modifications / Intervention dans le domaine de la santé / Perspectives

Alliages à mémoire de forme

Les alliages à Mémoire de Forme font partie de cette classe de matériaux aux propriétés considérées quasi-magiques. A leur découverte dans les années 1930, on s’imaginait que des carrosseries de voiture en AMF, froissées lors d’accidents, pourraient reprendre instantanément leur forme en les trempant dans un bain d’eau chaude ! On apprendra dans ce cours quelles sont les propriétés singulières des AMF, quelles sont les principales applications (spatiales, automobiles, médicales), quels sont les phénomènes physiques qui se cachent derrière leurs propriétés surprenantes voire mystérieuses, quelles sont les lois de comportement qui régissent leurs réponses à des stimuli extérieurs (contrainte et/ou température), comment dimensionner des structures en AMF. En quelques mots : le monde extraordinaire des AMF !

Stent cardiaque en AMF (Janod, 2001)

Électronique pour la santé

• Concevoir des systèmes électroniques pour l'instrumentation bio-médicale

Alliages métalliques

• Identifier les problématiques liées aux applications d’alliages métalliques pour la santé
• Connaître les grandes familles d’alliages ainsi que leurs propriétés d’application
• Identifier les procédés métallurgiques courant permettant d’agir sur les propriétés d’application d’un alliage.

Interaction nanomatériaux et systèmes biologiques

• Introduire le problème de l’interaction entre systèmes à l’échelle nanométrique et les systèmes biologiques.
• Classifier les nanomatériaux selon différents critères.
• Traiter des exemples marquants d’interaction (intentionnelle ou non) entre nanomatériaux et systèmes biologiques.

Polymères pour la santé

• Identifier un champ d’application des polymères dans le domaine biomédical / Etablir des connexions entre la physique des polymères et le domaine de la santé
• Se confronter à des systèmes innovants, tant au niveau du design du matériau que de l’application
• Introduire des notions de physique des polymères (structure et dynamiques) nécessaires à la compréhension du comportement des matériaux à l’usage.
• Proposer un cadre dans lequel l’ingénierie et la science des matériaux viennent répondre à des problématiques de santé.

Matériaux à mémoire  de forme

• Les matériaux intelligents : définitions et grandeurs caractéristiques
• Les Alliages à Mémoire de Forme : applications et propriétés
• Connaître les états métallurgiques des AMF
• Dimensionner les AMF