Modification de surface des biomatériaux vasculaires

Concept conventionnel d’un panneau

L’objectif du projet COMP-501 ne consiste pas à réinventer le concept des panneaux, mais plutôt à évaluer le potentiel d’amélioration de leur procédé de fabrication et de leurs performances mécaniques lorsque des renforts tridirectionnels sont utilisés. Il convient donc d’étudier avant tout les caractéristiques essentielles de cet assemblage ainsi que ses faiblesses actuelles. Il sera montré à la Section 1.3.2 que les pièces de revêtements sont susceptibles de subir plusieurs impacts tout au long de leur vie. Ces pièces sont donc habituellement faites de stratifiés quasi isotropes, généralement plus aptes à redistribuer les chargements dans une zone endommagée (Dorris et al., 1992). Les raidisseurs, quant à eux, sont des profilés qui servent généralement à limiter le flambage d’un revêtement en compression ou à raidir ce dernier localement, là où les contraintes sont importantes. Ceux-ci peuvent être placés dans le sens de l’envergure de l’aile et dans le sens circonférentiel ou longitudinal du fuselage. Puisque les raidisseurs sont principalement sollicités dans le sens de leur longueur, leurs renforts sont habituellement orientés de façon à renforcer principalement cette direction. Cependant, certaines conceptions de raidisseur utilisent plutôt des stratifiés quasi isotropes afin d’améliorer la résistance aux chocs ou réduire les écarts de contraintes entre le raidisseur et le revêtement (CMH-17, Volume 3, 2012).

Tel qu’en fait mention Mahfuz et al. (2004), les éléments critiques d’un panneau sont les joints entre les raidisseurs et le revêtement. La pratique la plus courante consiste à fabriquer le raidisseur et le revêtement séparément et ensuite les assembler par collage. Lorsque le composite est fait de renforts préimprégnés, les deux pièces peuvent être assemblées préalablement à leur cuisson et placées ensemble dans l’autoclave afin de renforcer le joint (« co-curing »). Malgré tout, le joint demeure inévitablement une faiblesse dans la structure et requiert souvent l’ajout de rivets ou autres pièces de fixation. L’ajout de rivets implique des étapes supplémentaires (par ex. : perçage et installation des rivets) pour la fabrication du panneau. De plus, les trous accueillant les rivets ou pièces de fixation sont des concentrateurs de contraintes et fragilisent les raidisseurs et le revêtement. Une autre faiblesse bien connue des raidisseurs en T faits de composite est la concentration de contraintes à l’intersection du voile et de la semelle. Lorsqu’une tension est appliquée dans le sens de la hauteur du raidisseur (« tear-off loading »), la semelle, le voile et la nouille tendent à se délaminer tel que montré à la Figure 1.2. Pour montrer comment le préformage des renforts peut aider à réduire les coûts et la variabilité du procédé de fabrication des panneaux, les avantages et inconvénients du procédé de moulage par infusion sous vide seront présentés à la Section 1.2. Ensuite, afin de bien comprendre comment le préformage des renforts peut affecter les propriétés mécaniques d’un stratifié, les mécanismes de rupture et d’endommagement des stratifiés seront présentés à la Section 1.3.

Avantages et inconvénients du moulage par infusion sous vide

En 2012, 54% des composites renforcés de fibres de carbone étaient fabriqués à partir de renforts préimprégnés (Jahn et Witten, 2013). Avec les technologies comme l’« automated fiber placement » (AFP), les renforts préimprégnés dominent et continueront de dominer pour plusieurs années le marché de la fabrication de composites à hautes performances (Jahn etWitten, 2013). Cependant, alors que le volume de composites utilisés dans les aéronefs ne cesse d’augmenter et que l’utilisation des composites s’étend aux pièces structurales et de grandes tailles, l’utilisation des préimprégnés consolidés en autoclave devient de plus en plus complexe et coûteuse. En effet, les autoclaves construits de nos jours peuvent mesurer jusqu’à 27m de long et 8m de diamètre. Un autoclave de cette taille nécessite un investissement d’environ 9M$CAN auxquels s’ajoutent les coûts d’entretien et d’utilisation (c.-à-d. électricité, azote, etc.). De plus, les matériaux (renforts et matrice) sont entre 30 à 70% plus dispendieux lorsqu’ils sont sous forme de renforts préimprégnés (Girardy et Blank, 2014).

Les constructeurs aéronautiques se tournent donc vers de nouveaux procédés de fabrication pour réduire les coûts de production. Selon Witik et al. (2012), la fabrication de pièces par infusion sous vide peut réduire les coûts de production d’environ 15% par rapport aux coûts de fabrication d’un composite fait à partir de renforts préimprégnés cuits en autoclave. Le moulage par infusion sous vide, aussi appelé « vacuum assisted resin infusion » (VARI), consiste à aspirer de la résine par dépression à travers des renforts placés sur un moule ouvert et scellés grâce à une pellicule plastique. L’infusion est aidée d’une série d’accessoires qui servent notamment à acheminer la résine aux endroits voulus et favoriser l’imprégnation des renforts. La fabrication de pièces par VARI avec des méthodes de laminage traditionnelles (par ex. : drapage manuel de plusieurs plis de renforts suivi d’une infusion sous vide) n’est toutefois pas sans difficulté. D’abord, les renforts secs sont sensibles aux manipulations. Voici quelques défauts pouvant être causés durant le drapage relevés par Mesogitis et al. (2014) :

Délaminage

Le délaminage est le mode d’endommagement le plus fréquent dans les stratifiés (Dransfield et al., 1994; O’Brien, 2001). Puisque l’ajout de fibres à travers l’épaisseur d’un stratifié a notamment pour but de retarder son apparition ou d’atténuer son ampleur, il convient de s’attarder un peu plus longuement à ce mécanisme de rupture. L’Office Québécois de la Langue Française définit le délaminage comme étant « un défaut existant dans les matériaux composites stratifiés se caractérisant par une séparation ou un manque de liaison entre deux strates ». Le délaminage peut être causé par trois modes de chargements : a) le Mode I, l’ouverture d’une fissure interlaminaire, b) le Mode II, un cisaillement dans le plan et c) le Mode III, un arrachage dans le plan. Ces derniers sont présentés à la Figure 1.4. Greenhalgh et Hiley (2003) affirment que si l’initiation d’un délaminage est habituellement causée par des forces d’ouverture, la propagation des dommages est, quant à elle, souvent due à des forces de cisaillement dans le plan. Selon Dransfield et al. (1994), les contraintes interlaminaires menant au délaminage sont souvent le résultat d’un impact à basse vitesse ou d’un chargement excentrique. Parce qu’ils sont des concentrateurs de contraintes, les discontinuités de matériaux ou les changements de géométrie sont des endroits propices à l’initiation du délaminage. Ainsi, le délaminage survient habituellement aux bords libres de contraintes lorsqu’il y a une différence de propriétés entre deux strates voisines, aux endroits où il y a une diminution du nombre de plis et aux régions subissant des contraintes perpendiculaires au plan de renforts (Dransfield et al., 1994). Quelques exemples sont illustrés à la Figure 1.5. Le délaminage, bien qu’il affaiblisse l’ensemble des propriétés mécaniques du stratifié, affecte particulièrement les propriétés en compression. En effet, une fois délaminé, le stratifié est plus sensible au microflambage sous l’effet d’une compression longitudinale. Prichard et Hogg (1990) ont d’ailleurs observé une diminution de la résistance à la compression allant jusqu’à 40% due à un délaminage non apparent. Il est pertinent de noter que, bien qu’il réduise les propriétés mécaniques du stratifié, le délaminage est un mécanisme d’endommagement qui absorbe une partie de l’énergie lors d’un impact. S’il est complètement absent lors d’un impact, l’énergie de l’impact peut mener à une rupture catastrophique du composite causé par la rupture des fibres (Dransfield et al., 1994).

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LITTÉRATURE
1.1Contexte clinique
1.1.1Structure des artères
1.1.2L’anévrisme de l’aorte abdominale (AAA)
1.1.3Traitements des anévrismes de l’aorte abdominale
1.1.3.1Réparation endovasculaire (EVAR) vs. chirurgie ouverte
1.1.3.2Problématiques liées à l’EVAR
1.1.4Les biomatériaux utilisés actuellement pour les EC
1.1.5Innovations industrielles
1.1.6Conclusion et stratégie à la base du projet
1.2Interactions biologiques avec les matériaux
1.2.1Interactions biomatériau/protéines
1.2.2Interactions cellules/ surface
1.2.3Réaction immunitaire et guérison
1.3Modification de surface des biomatériaux vasculaires
1.3.1Modifications physicochimiques
1.3.1.1Modification de surface par plasma
1.3.1.2Modifications par voie humide
1.3.1.3Limites de modifications physico-chimiques
1.3.2Fonctionnalisation par ajout de biomolécules
1.3.2.1Libération progressive
1.3.2.2Immobilisation non spécifique ou aléatoire
1.3.2.3Immobilisation spécifique ou orientée
1.3.2.4Sous-couche antiadhésive pour l’immobilisation de biomolécules
1.4Biomolécules pour l’ingénierie tissulaire et la guérison vasculaire
1.4.1.1Molécules de la MEC
1.4.1.2Facteurs de croissance pour cellules vasculaires
1.5Travaux disponibles dans la littérature présentant des revêtements bioactifs baséssur des facteurs de croissance pour favoriser la guérison autour des EC
CHAPITRE 2 OBJECTIFS DU PROJET
CHAPITRE 3 ÉVALUATION IN VITRO ET IN VIVO D’UN REVÊTEMENT BIOACTIF POUR ENDOPROTHÈSE COUVERTE BASÉ SUR LA CHONDROITINE SULFATE ET LE FACTEUR DE CROISSANCE DE L’ÉPIDERME
3.1 Mise en contexte
3.2ABSTRACT
3.3INTRODUCTION
3.4METHODS
3.4.1Coating preparation
3.4.1.1L-PPE:N deposition
3.4.1.2CS and EGF grafting
3.4.2Chemical and Mechanical Characterization
3.4.2.1Surface composition and morphology
3.4.2.2E-modulus and tensile strength
3.4.3Biological characterization
3.4.3.1Cell culture materials
3.4.3.2Cell survival on PET films
3.4.3.3 AoSMC survival on ePTFE membranes
3.4.3.4 Cell morphology on ePTFE membranes
3.4.4Durability of the coatings
3.4.5Coating transfer onto stent-grafts
3.4.5.1Coating procedure on SG
3.4.5.2Coating homogeneity and adhesion on SG
3.4.6In vivo implantation procedure
3.4.7Statistical analysis
3.5RESULTS
3.5.1Human vascular cell adhesion and survival on coated PET surfaces
3.5.2Transfer onto PTFE substrates
3.5.2.1Physical and Chemical characterization
3.5.2.2 Coating adhesion and resistance to ePTFE SG deployment
3.5.2.3Biological characterization
3.5.3 Stability of LP/CS/EGF coatings on ePTFE
3.5.4 In vivo testing
3.6DISCUSSION
3.7CONCLUSION
CHAPITRE 4 EFFETS BÉNÉFIQUES ADDITIFS DE LA CHONDROITINE SULFATE ET DU FACTEUR DE CROISSANCE DE L’ÉPIDERME IMMOBILISÉ DE FAÇON ORIENTÉE POUR LA SURVIE DES CELLULES MUSCULAIRES LISSES VASCULAIRES
4.1 Mise en contexte
4.2Abstract
4.3Introduction
4.4Materials and methods
4.4.1Materials and reagents
4.4.2 Kcoil and Ecoil-tagged EGF Production
4.4.3CS, CMD and EGF Immobilization
4.4.3.1Surface and Polymer Preparation
4.4.3.2Polymer Grafting on Aminated Silicon Surfaces and Aminated Microplates
4.4.3.3EGF Covalent Immobilization on CMD- and CS-coated surfaces
4.4.3.4 Ecoil-Tagged EGF Capture on Kcoil Layers
4.4.4Physical and chemical characterization
4.4.4.1Ellipsometry
4.4.4.2Water contact angle
4.4.4.3Surface EGF quantification by ELISA
4.4.5Cellular assays
4.4.5.1Cell culture materials
4.4.5.2Cell survival in serum-free medium
4.4.5.3Cell apoptosis
4.4.6Statistical analysis
4.5Results
4.5.1Characterization of oriented EGF immobilization on CS via coiled-coil interaction
4.5.2ELISA quantification of immobilized EGF
4.5.3 Bioactivity of the coatings
4.5.3.1 Cell adhesion and survival
4.5.3.2 Cell apoptosis
4.6Discussion
4.7Conclusions
CHAPITRE 5 CO-IMMOBILISATION CONTROLÉE DE FACTEUR DE CROISSANCE DE L’ÉPIDERME ET DE FACTEUR DE CROISSANCE DE L’ÉPITHÉLIUM VASCULAIRE POUR OPTIMISER LA SURVIE DES CELLULES VASCULAIRES
5.1Mise en contexte
5.2Abstract
5.3 Introduction
5.4Materials and methods
5.4.1Materials and Reagents
5.4.2 Kcoil, Ecoil-tagged EGF and Ecoil-tagged VEGF Production
5.4.3Chondroitin sulfate and Growth Factor Immobilization
5.4.3.1Chondroitin sulfate coating preparation
5.4.3.2 E-EGF and E-VEGF Capture on Kcoil Layers
5.4.4Surface growth factor quantification by ELISA
5.4.5Stability of coiled-coil immobilization
5.4.6Cellular assays
5.4.6.1Cell culture materials
5.4.6.2Cell survival in serum-free medium
5.4.7Statistical analysis
5.5RESULTS
5.5.1Characterization of immobilized growth factors
5.5.2Bioactivity of immobilized growth factors
5.5.2.1HUVEC
5.5.2.2 AoSMC
5.6DISCUSSION
5.7 CONCLUSION
CHAPITRE 6 DISCUSSION GÉNÉRALE
CONCLUSION
ANNEXE I STÉRILISATION DES REVÊTEMENTS L-PPEN et L-PPE:N+CS
LISTE DE RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES

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