Logo ÉTS
Session
Cours
Responsable(s) Sophie Lerouge

Se connecter
 

École de technologie supérieure
Département de génie mécanique
Responsable(s) de cours : Sophie Lerouge


PLAN DE COURS

Hiver 2019
GTS620 : Biomatériaux pour dispositifs médicaux (3 crédits)



Préalables
Aucun préalable requis
Unités d'agrément
Total d'unités d'agrément : 58,8 25,0 % 25,0 % 50,0 %




Qualités de l'ingénieur

Qn
Qualité visée dans ce cours  
Qn
  Qualité visée dans un autre cours  
  Indicateur enseigné
  Indicateur évalué
  Indicateur enseigné et évalué



Descriptif du cours
S’initier à la sélection adéquate du matériau à utiliser comme composant d’un dispositif médical (prothèse, implant, greffe vasculaire, etc.). Étudier les biomatériaux sous un aspect pluridisciplinaire impliquant l’analyse de leurs propriétés mécaniques et physicochimiques en interface avec la biologie et la médecine.

Introduction à la science des matériaux. Propriétés mécaniques, propriétés physiques et propriétés chimiques. Biocompatibilité des matériaux. Dégradation des biomatériaux en service. Sélection des biomatériaux pour les dispositifs médicaux. Principales applications des biomatériaux en cardiologie, chirurgie thoracique et chirurgie orthopédique.

Travaux pratiques basés sur des études de cas. Séances de laboratoire axées sur la caractérisation mécanique comparative des biomatériaux d’origine artificielle et naturelle.



Objectifs du cours

Le choix du matériau est une tâche souvent critique dans le processus de développement d’un dispositif biomédical dont les performances sont largement déterminées par celles du matériau utilisé. Les biomatériaux regroupent des matériaux dits de suppléance d’origine métallique, polymérique et céramique. Chacun a ses avantages et ses inconvénients et leur choix dépend de leur application et l’environnement biologique dans lequel il sera implanté.

L’assimilation du contenu de ce cours aidera à la sélection adéquate du matériau à être utilisé comme composant d’un dispositif médical destiné à être en contact avec les tissus biologiques (prothèse, instrument chirurgical, cathéters, etc.). Les biomatériaux seront étudiés sous un aspect pluridisciplinaire impliquant l’analyse de leurs propriétés mécaniques et physico-chimiques en interface avec la biologie et la médecine. À la fin de ce cours, l’étudiant devra être capable 1) de nommer les principaux biomatériaux couramment utilisés et de rechercher leurs propriétés et les principales normes; 2) de connaître la structure et les propriétés générales, les avantages et inconvénients des différentes classes de biomatériaux, notamment comparativement aux matériaux biologiques; 3) D’expliquer dans leur propres mots le concept de biocompatibilité et les possibles réactions adverses pouvant être provoquées par un dispositif médical 3) d’établir un cahier des charges pour un dispositif médical; 4) de choisir un biomatériau adapté à ce cahier des charges, du point de vue de sa fonction et de sa biocompatibilité; 5) d’expliquer les principaux facteurs à prendre en compte lors de la conception d’un dispositif médical, et les étapes jusqu’à son approbation par Santé Canada ou la FDA.

La matière du cours peut être regroupée en 2 parties principales :

1re partie : Introduction à la science des biomatériaux

Les différentes classes de biomatériaux (métalliques, polymériques, céramiques) et leurs propriétés mécaniques et physico-chimiques seront étudiées. Les propriétés mécaniques étudiées comprendront la résistance des matériaux métalliques, polymériques, céramiques et composites sous les charges statiques et répétitives (fatigue). Une attention particulière sera portée au comportement des matériaux biologiques afin de mieux comprendre les défis reliés aux matériaux artificiels de remplacement. Les facteurs à considérer lors du design d’un implant ou dispositif médical, ainsi que les normes relatives aux biomatériaux et les processus d’homologation, seront discutés.

2e partie : Introduction à la biocompatibilité des matériaux

Le but de la deuxième partie sera de comprendre les raisons permettant à certains matériaux d’être tolérés par le corps, tandis que les autres peuvent causer une réaction adverse à l’interface hôte/biomatériaux. Les principales étapes et systèmes biologiques impliqués dans la réponse de l’organisme au biomatériau seront présentés, ainsi que les principales propriétés des matériaux déterminant cette réponse. Nous verrons que les exigences varient en fonction du type et de la durée de contact avec les tissus biologiques. Nous montrerons également que ce que l’on doit considérer comme une réaction biologique optimale à un implant ou dispositif (biocompatibilité) varie d’une application à une autre. Les diverses formes de dégradation des biomatériaux en service (vieillissement, dissolution, oxydation, corrosion, usure, érosion, etc.) et les conséquences causées par ces phénomènes à l’organisme seront étudiées. Les aspects d’interaction biomécanique entre le matériau implanté et les tissus environnants seront également considérés.

Tout au long du cours, on montrera, par différents exemples pratiques, le lien entre la fonction de base des biomatériaux, les propriétés requises et le choix résultant du matériau. L’emphase sera mise sur la procédure de sélection du matériau compatible avec l’application choisie. Les principales applications des biomatériaux en cardiologie et radiologie interventionnelle (stents, valves, cathéters), chirurgie orthopédique (prothèses articulaires, dispositifs de fixation), chirurgie thoracique (sutures sternales) seront également présentées au fur et à mesure des cours. Ceci sera complété, à la fin du trimestre, par la présentation des projets de recherche des étudiants. Ce projet permettra notamment de mettre en pratique la notion de cahier des charges du dispositif médical et de la sélection du matériau.




Stratégies pédagogiques
  • 39 heures d'enseignement magistral (13 semaines à 3 heures par semaine);
    • 24 heures de travaux dirigés qui se composent de :
    • 4 heures de laboratoires (2 séances de TP de 2 heures) portant sur les essais de caractérisation des tissus biologiques et des biomatériaux de remplacement.
    • 14 heures de travaux dirigés incluant : a) deux visites (un centre de recherche en milieu industriel (IMI) et une entreprise); b) trois séances de travaux dirigés en calculs statiques et dynamiques et autres exercices de préparation à l’examen; c) une séance de formation sur la recherche bibliographique, et deux séances encadrées dédiées au projet de session.
    • 2 heures de présentation des projets de session réalisés en équipe.
    • 2 heures de contrôle (intra) qui aura lieu lors de la période attribuée aux activités dirigées.

 

  • Un examen final

Chaque étudiant doit consacrer environ 3 h/semaine de travail personnel pour réviser la théorie, rédiger les rapports de laboratoire et réaliser le projet de session qui sera l’objet d’un rapport écrit et d’une soutenance orale.




Utilisation d’appareils électroniques

Plusieurs appareils seront utilisés dans le cadre des laboratoires. Une machine d’essai de traction (Electroforce 3200)(Labo 1) et un goniomètre pour la mesure d’angle de contact (Labo 2) que les étudiants utiliseront pour déterminer l’angle de contact et l’énergie de surface des biomatériaux, à l’aide de courbe et de régression linéaire sur  logiciel de type Excel. Les étudiants seront aussi amenés à utiliser les bases de données sur les matériaux, notamment la base de données ASM International Material for Medical Device Database. Lors des visites, ils pourront également observer plusieurs équipements de pointe en fabrication des matériaux.




Horaire
Groupe Jour Heure Activité
01 Lundi 13:30 - 15:30 Travaux pratiques et laboratoire
Vendredi 08:30 - 12:00 Activité de cours



Coordonnées de l’enseignant
Groupe Nom Activité Courriel Local Disponibilité
01 Sophie Lerouge Activité de cours Sophie.Lerouge@etsmtl.ca A-1832
01 Vladimir Brailovski Activité de cours Vladimir.Brailovski@etsmtl.ca A-1910



Cours

 

GTS620 CALENDRIER H2019

COURS : vendredi 8h30-12h (local  A4408)

TP/Labo : lundi 13h30-15h30 (local variable, A1214, A3230  ou autre, voir tableau)

 

Sem

Lundi

Vendredi

1

 

 

4 janv.

Cours 1 : Introduction aux biomatériaux- Rappel 

 Projet de session : choix du sujet

2

7 janv.

Pas de TP

11 janv.

Cours 2 : Propriétés et caractérisation des tissus biologiques

3

14 janv.

TP1 : Recherche bibliographique pour le projet

(A.1214)

18 janv.

Cours 3 : Biomatériaux métalliques

4

21 janv.

TP 2 : Cahier des charges d’un dispositif médical  (A.1214)

 Projet remise recherche biblio

25 janv.

Cours 4 : Biomatériaux céramiques  

5

28 janv.

TP3 : Labo 1 : Caractérisation des artères biologiques et synthétiques  (CRCHUM- R11.122)

01 févr.

Cours 5 : Biomatériaux polymériques

6

4 fév.

TP4 : Visite de laboratoire (IMI, Boucherville)

Remise labo 1

08 févr.

Cours 6 : Conception mécanique des dispositifs biomédicaux  (V.Brailovski)

7

11 fév.

TP5 : Calculs mécaniques (VB) (A3230)

Projet remise version 1 du cahier des charges

15 févr.

Cours 7 : Biomatériaux naturels - introduction à la biocompatibilité (B1718)

8

18 fév.

TP6 : Choix des matériaux et exercices de préparation à l’intra  (A.3230)

22 févr. Pas de cours

 

9

25 fév

TP 7 : Examen intra

(A.3230)

01 mars

Cours 8 : Biocompatibilité

10

4 mars

TP 8 : Labo 2 : mesure d’angle de contact et énergie de surface (A.4406)

08 mars

Cours 9: Biomatériaux pour applications cardiovasculaires/ hémocompatibilité

Projet : remise du cahier des charges final

11

11 mars

TP 9 : Visite d’entreprise (Cryocath, Pointe-Claire)

15 mars

Cours 10 : Dégradation des biomatériaux

12

18 mars

TP10 : Visite du LbeV (CRCHUM, R11.330)

Remise labo 2

22 mars

Cours 11 : Cours Normes et régulation  

 

13

25 mars

TP11 : Travail encadré sur le projet de session (A.1214)

29 mars

Cours 12 : Enjeux et défis des biomatériaux  TP

14

01 avril

TP12 :  Exercices de préparation à l’examen final (A3230)  

05 avril

Cours 13 : Présentations projets

 

§ Ce sigle signale la remise d’un document par les étudiants

 

Contenu de chaque session de cours :

1.Introduction (Plan de cours, objectifs et travaux. Formation des équipes et choix des projets. Rappel des notions de base en mécanique et en matériaux. Principales définitions, classification des biomatériaux, propriétés de service, interactions matériau - milieu biologique.

2.Propriétés et caractérisation des matériaux biologiques et artificiels (éléments constitutifs des matériaux biologiques (, etc.); relations entre la structure et les propriétés de tissus biologiques; tissus minéralisés, mous, élastiques; caractérisation des tissus biologiques, anisotropie/isotropie…).

3.Biomatériaux métalliques (structure des métaux, classification, principaux biomatériaux métalliques, propriétés, caractérisation et applications principales).

4.Biomatériaux céramiques (structure, composition, fabrication, frittage, concept de biomatériaux inertes/bioactifs, bioverres, applications principales).

5.Biomatériaux polymériques (propriétés de service de polymères, réactions de polymérisation, matériaux thermoplastiques et thermodurcissables, élastomères, principaux biomatériaux polymériques, biodégradabilité, exemples d’applications).

6.Biomatériaux polymériques (suite)

7.Conception des dispositifs médicaux : critères mécaniques (chargements, rappels de mécanique statique et dynamique, durée de vie, facteurs de sécurité, principes de sélection des matériaux à l’aide des diagrammes du prof. Ashby de l’Université Cambridge.

8.Biomatériaux naturels et interactions biomatériaux/organisme (cellules et matrice extracellulaire et leurs interactions, biomatériaux naturels, biomimétisme; exemples d’applications).

9.Biocompatibilité (introduction aux systèmes et étapes de la guérison tissulaire, infection, principales réactions adverses (cytotoxicité, cancérogenicité, mutagénicité...), principaux essais de biocompatibilité, normes ISO 10993).

10.Biomatériaux pour les applications cardiovasculaires (éléments figurés et non figurés du sang, systèmes de coagulation et fibrinolyse, hémocompatibilité, hémolyse, principaux biomatériaux et implants pour applications cardiovasculaires et leurs défis particuliers).

11.Dégradation des biomatériaux en service (corrosion, usure, érosion, vieillissement, dissolution, oxydation, biodégradation… et leurs conséquences).

12.Normes et régulations (standards et réglementations nationales visant les dispositifs biomédicaux : Canada, États-Unis, Europe; lignes directrices pour la conception, le contrôle de qualité et l’utilisation des dispositifs biomédicaux).

Stérilisation et autres enjeux reliés aux biomatériaux (de la conception à la vente, exemples pratiques, introduction à l’ingénierie tissulaire…).




Laboratoires et travaux pratiques

a. Contenu des laboratoires

Les séances d’expérimentations permettent d’intégrer des notions sur les propriétés mécaniques et physico-chimiques des biomatériaux. Les étudiants travailleront en groupe et devront remettre un rapport de laboratoire par groupe.

 

LABO 1 : « CARACTÉRISATION des artères biologiques et synthétiques »

Objectifs : Familiariser l’étudiant avec les comportements mécaniques particuliers des tissus biologiques. Comprendre les différences entre contraintes d’ingénierie et contraintes réelles, et entre déformations d’ingénierie et déformations logarithmiques. Comprendre les différences mécaniques entre un tissu biologique et un tissu synthétique. Effectuer des recherches dans la littérature scientifique et faire des liens avec les résultats obtenus.

 

LABO 2 « MOUILLABILITÉ ET ÉNERGIE DE SURFACE DES BIOMATÉRIAUX »

Objectif : Introduire les concepts de mouillabilité et d’énergie de surface des matériaux, et comprendre comment elles peuvent être modifiées par les techniques de modifications de surface ou de stérilisation. Faire connaissance avec une des techniques les plus utilisées dans le domaine des biomatériaux, soit la goniométrie d’angle de contact.

 

b. Projet de session

Durant la session, les étudiants auront un travail personnel à réaliser, consistant à analyser un dispositif médical existant et déjà approuvé par la Food and Drug Administration (FDA, US).

Le projet de session a pour but de mettre en application et synthétiser les connaissances acquises durant le cours, apprendre à créer un cahier des charges et apprendre à rechercher des informations complémentaires par eux-mêmes. Les étudiants seront aidés dans cette démarche par 3 séances de travaux dirigés, une sur la recherche bibliographique (et présentation des références dans un texte), une sur le cahier des charges et l’autre sur la rédaction du projet. Ce projet de session a également pour but d’apprendre à travailler en équipe multidisciplinaire, souvent requise dans ce domaine. Les étudiants devront présenter leur projet devant leurs pairs.

Plus de détails se trouvent dans le document « projet de session ».




Utilisation d'outils d'ingénierie

Plusieurs appareils seront utilisés dans le cadre des laboratoires. Une machine d’essai de traction (Electroforce 3200)(Labo 1) et un goniomètre pour la mesure d’angle de contact (Labo 2) que les étudiants utiliseront pour déterminer l’angle de contact et l’énergie de surface des biomatériaux, à l’aide de courbe et de régression linéaire sur  logiciel de type Excel. Les étudiants seront aussi amenés à utiliser les bases de données sur les matériaux, notamment la base de données ASM International Material for Medical Device Database. Lors des visites, ils pourront également observer plusieurs équipements de pointe en fabrication des matériaux.




Évaluation

Activités

Description

%

Examen intra de 2 h

 

20 %

Laboratoires

(10 % par labo, par équipe)

20 %

Projet

1 projet par session (3-4 étudiants par équipe),
avec présentation orale

30 %

Examen final (3 h)

Semaine des examens finaux

30 %




Date de l'examen final
Votre examen final aura lieu pendant la période des examens finaux, veuillez consulter l'horaire à l'adresse suivante : http://etsmtl.ca/Etudiants-actuels/Baccalaureat/Examens-finaux


Politique de retard des travaux
Tout travail (devoir pratique, rapport de laboratoire, rapport de projet, etc.) remis en retard sans motif valable, c’est-à-dire autre que ceux mentionnés dans le Règlement des études (1er cycle, article 7.2.7 b / cycles supérieurs, article 6.5.4 b) se verra attribuer la note zéro, à moins que d’autres dispositions ne soient communiquées par écrit par l’enseignant dans les consignes de chaque travail à remettre ou dans le plan de cours pour l’ensemble des travaux.

Dispositions additionnelles

10 % par jour de retard.




Absence à un examen
• Pour les départements à l'exception du SEG :
Dans les cinq (5) jours ouvrables suivant la tenue de son examen, l’étudiant devra justifier son absence d’un examen durant le trimestre auprès de la coordonnatrice – Affaires départementales qui en référera au directeur du département. Pour un examen final, l’étudiant devra justifier son absence auprès du Bureau du registraire. Toute absence non justifiée par un motif majeur (maladie certifiée par un billet de médecin, décès d’un parent immédiat ou autre) à un examen entraînera l’attribution de la note zéro (0).

• Pour SEG :
Dans les cinq (5) jours ouvrables suivant la tenue de son examen, l’étudiant devra justifier son absence auprès de son enseignant. Pour un examen final, l’étudiant devra justifier son absence auprès du Bureau du registraire. Toute absence non justifiée par un motif majeur (maladie certifiée par un billet de médecin, décès d’un parent immédiat ou autre) à un examen entraînera l’attribution de la note zéro (0).



Plagiat et fraude
Les clauses du « Règlement sur les infractions de nature académique de l’ÉTS » s’appliquent dans ce cours ainsi que dans tous les cours du département. Les étudiants doivent consulter le Règlement sur les infractions de nature académique (https://www.etsmtl.ca/A-propos/Direction/Politiques-reglements/Infractions_nature_academique.pdf ) pour identifier les actes considérés comme étant des infractions de nature académique ainsi que prendre connaissance des sanctions prévues à cet effet.  À l’ÉTS, le respect de la propriété intellectuelle est une valeur essentielle et les étudiants sont invités à consulter la page Citer, pas plagier ! (https://www.etsmtl.ca/Etudiants-actuels/Baccalaureat/Citer-pas-plagier).



Documentation obligatoire

N/A




Ouvrages de références

Référence conseillée

  • J.S. Temenoff, A.G. Mikos, Biomaterials: The Intersection of Biology and Materials Science, Prentice Hall, 2008. (à la bibliothèque et en vente à la COOP).

Mais également :

 http://asmcommunity.asminternational.org/portal/site/asm/

  • Design of biomedical devices and systems. King PH, Fries RC (Eds) Marcel Dekker, 2003.
  • Biomaterials Science (An Introduction to Materials in Medecine), Eds. B.D. Ratner, A.S. Hoffman, F.J. Schoen and J.E. Lemons, Elsevier Academic Press, 2nd edition, 2004.
  • Biomaterials. Sujata V. Bhat (Ed), Harrow : Alpha Science International, c2005. Surtout chapitre 1-5. Disponible à la bibliothèque.
  • An Introduction to Tissue-Biomaterial Interactions. Eds. K.C. Dee, D.A. Puleo, R. Bizios, Wiley-Liss, 2003.



Adresse internet du site de cours et autres liens utiles

https//:ena.etsmtl.ca (Site Moodle du cours)

Autres liens utiles :