Notre recherche est centrée sur les phénomènes qui ont lieu à l'interface matériau-tissu et vise à déterminer comment ses interactions influencent le succès du dispositif implantaires. Les efforts de recherche sont dirigés vers trois domaines spécifiques :

1. Caractérisation de surface, études sur la corrosion et sur la cytotoxicité.
2. Modifications de surface.
3. Les effets mécaniques de l'impact sur le développement cellulaire.

Nous utilisons des techniques avancées pour caractériser les surfaces et évaluer les biomatériaux et les implants. En ce qui concerne les alliages métalliques, des informations ont été corrélées à la corrosion et aux processus de dégradation ainsi qu'aux effets des produits de corrosion libérés sur la viabilité et les fonctions des cellules. La recherche a mené au développement d'un nouveau système culture cellulaire-corrosion, ce qui a permis la mesure simultanée du taux de corrosion et de la réponse cellulaire. Nous étudions aussi les méthodes non conventionnelles de modifications de surface conçues pour favoriser la liaison entre les implants et les tissus adjacents, dans le but de déterminer les caractéristiques de revêtement optimales et favoriser la liaison/intégration à long terme des dispositifs dans les tissus osseux. Nous étudions comment les forces mécaniques autour de l'impact affectent le développement et l'entretien des tissus locaux et de la matrice.

En nous basant sur les principes de la nanoscience et de la nanotechnologie, nous développons des approches d'études nouvelles. L'application des principes de la nanoscience et de la nanotechnologie peut être considérée de deux façons : d'une part, elle peut être vue comme des objets avec une taille d'un nanomètre (un millième d'un millionième d'un mètre). D'autre part, elle implique des modifications et de la caractérisation de surface à l'échelle nanométrique. Nous travaillons sur ces deux aspects.

La caractérisation et l'analyse à l'échelle nanométrique requièrent des techniques de calcul pour l'analyse et la conception de microsystèmes, ainsi qu'une connaissance des propriétés de base des structures et des conformations biomoléculaires à l'échelle nanométrique. Des sondes nanomécaniques exploitent des techniques de sondes à balayage pour la caractérisation de propriétés physiques à l'échelle nanométrique. D'autres techniques reliées permettent la caractérisation des éléments chimiques. Une caractéristique de base de la nanoscience qui la différencie des domaines de recherche plus traditionnels est sa nature intrinsèquement interdisciplinaire. Alors que sa petite échelle ouvre de nouvelles possibilités dans de nombreuses disciplines individuelles, on s'attend à ce que le plus fort impact de la nanoscience provienne des activités à l'interface entre les domaines traditionnels. La réalisation de nos objectifs demande beaucoup plus que l'exploration de petits domaines avec de nouveaux outils. Il faut aller au-delà de la pensée conventionnelle confinée aux disciplines traditionnelles. En explorant l'interface entre les sciences chimiques, physiques et biologiques, nous fournissons des données complémentaires pour la construction de dispositifs à travers l'utilisation de la nanotechnologie.

La nanotechnologie vise à construire des objets à partir de leurs composantes les plus fondamentales - en contraste avec la méthode industrielle typique de la coupe, du façonnage et de l'assemblage de produits à partir de matériaux bruts. Le terme « nanotechnologie », dérivé du mot grec nanos, ou « nain », réfère généralement à l'ingénierie et à la fabrication à l'échelle moléculaire ou nanométrique. Construire des objets molécule par molécule offre un degré de précision sans précédent et du contrôle sur le produit final. Ainsi, en utilisant des blocs de construction à l'échelle moléculaire, des dispositifs de grande complexité, ayant des milliers, voire des millions de différentes parties mécaniques, peuvent être fabriqués à l'échelle microscopique. En utilisant ces nouvelles approches, nous nous préparons à promouvoir la miniaturalisation des dispositifs pour la nanomédecine. Ces dispositifs vont générer un vaste éventail de nouvelles améliorations biotechnologique; ils sont la clé d'un nombre de réalisations majeures en technologie médicale comme le développement d'un organe artificiel qui imitent la fonction d'organes réels avec plus de précision. La liste suivante indique quelques-uns de nos projets impliquant la caractérisation de surface :

• Caractérisation morphologique et physico-chimique d'échantillons β-TCP.
• L'application de l'analyse physico-chimique à l'échelle nanométrique pour améliorer la biocompatibilité des microcapsules à base d'alginate utilisées pour la transplantation de cellules pancréatique.
• Traitement du plasma pour les modifications de surface à l'échelle nanométrique.
• Biofilm et caractéristiques nanométriques de la surface des matériaux.

La question de la biocompatibilité est au cœur de la plupart de nos projets, car elle concerne toutes les catégories de matériaux que nous utilisons. Les aperçus obtenus sur la biocompatibilité des matériaux à l'échelle nanométrique sont principalement exploités, dans notre laboratoire, dans le domaine cardiovasculaire.

La biocompatibilité d'un matériau artificiel dans le corps est extrêmement compliquée, impliquant des processus appartenant traditionnellement aux sciences médicales, aux sciences de surface, aux sciences des matériaux et aux biotechnologies moléculaires. Au bout de quelques millisecondes, après l'insertion de l'implant dans le corps, une couche biologique, composée d'eau, de protéines et d'autres biomolécules du liquide physiologique, se forme sur la surface de l'implant. Par la suite, des cellules du tissu environnant migrent vers la zone autour de l'implant dû à des stimulations de cytokines et des facteurs de croissance dans la couche biologique. L'interaction entre la surface de l'implant et les cellules est donc médiatisée à travers cette couche biologique. Les caractéristiques chimiques et topographiques de la surface de l'implant influencent fortement les propriétés de la couche et cette influence peut être comprise et contrôlée, dans le but d'optimiser la biocompatibilité. Comme la taille des protéines et des cellules varie entre des nanomètres et des micromètres, il est crucial d'étudier les propriétés des matériaux à ces échelles. Il est bien connu que la plupart des phénomènes biologiques commencent à l'échelle nanométrique, et ces interactions contrôlent les mécanismes qui gouvernent la réponse du tissu à l'implant.

Les nanomatériaux comme les nanotubes de carbone, les nanofils, les acides nucléiques et les nanopolypeptides possèdent un potentiel énorme en médecine clinique. Par conséquent, la biocompatibilité des nanomatériaux est d'un grand intérêt. Nous sommes particulièrement intéressés par les questions intrinsèques, comme la structure et la fonction des systèmes de nanomatériaux, ainsi que par la sécurité de l'environnement des nanomatériaux. Un défi majeur dans l'application clinique des matériaux à l'échelle nanométrique est de déterminer si le système immunitaire du corps humain peut reconnaître ces matériaux. Un risque particulier relié à la possible toxicité et les risques sanitaires des nanomatériaux est un facteur important influençant le succès de la nanotechnologie en médecine. À l'heure actuelle, nous connaissons très peu de choses sur l'interaction entre les nanomatériaux et les cellules immunitaires. Un objectif principal de nos études est de comprendre les interactions entre ces nanomatériaux et le système immunitaire.

Le traitement électrochimique des matériaux avancés utilise des connaissances des domaines de l'électrochimie, du génie chimique et de la science des matériaux pour développer de nouveaux matériaux et procédés. L'objectif est d'intégrer les approches électrochimiques, les technologies et l'ingénierie de surface pour faire de nouveaux matériaux basés sur ces produits et procédés. Actuellement, nous sommes impliqués dans le développement de divers aspects des biomatériaux basés sur des méthodes électrochimiques :

• La détermination de la stabilité des biomatériaux impliqués dans les dispositifs médicaux comme les valves cardiaques mécaniques et le stimulateur cardiaque.
• Modification des surfaces des biomatériaux pour créer des interactions appropriées entre le dispositif médical et son hôte. En particulier, les travaux de modifications sont les métaux suivants et les alliages métalliques utilisés de nos jours dans les dispositifs médicaux p. ex. β-titane et nickel-titane (Nitinol), les alliages ayant une grande résistance magnétique (GMR).
• Le développement de connaissances significatives sur l'électrochimie de la surface de NiTi. Par conséquent, notre laboratoire a fait des contributions significatives au développement d'une meilleure compréhension de l'électrochimie de la surface de NiTi. Nous avons récemment montré qu'une couche de surface passive qui est composée d'oxyde de titane épais d'environ 20 nm peut être amenée à se former sur la surface de NiTi. Cette couche agit comme une barrière prévenant la corrosion électrochimique de NiTi. Sans les connaissances électrochimiques de sa surface, le nitinol ne serait pas un métal biocompatible approuvé par la FDA, et toute une génération de dispositifs médicaux ne se serait pas développée.
• Le développement de corrélations entre la composition de la surface de nitinol et ses propriétés électrochimiques. Cela peut aider à comprendre la relation entre les biomatériaux et les propriétés électrochimiques de leur surface.
• Le développement de revêtements en nanocomposite contre la corrosion, et l'autoassemblage de couches biologiques en utilisant l'électrochimie.