PLAN DE COURS AUTOMNE 2012 GTS880b Sujets spéciaux en technologies de la santé (3 cr.) Biomatériaux avancés : propriétés de surface et de volume

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1 Département de mécanique Programme de 2 e et 3 e cycle Groupe 01 Préalable Enseignants Sophie Lerouge Vladimir Brailovski aucun PLAN DE COURS AUTOMNE 2012 GTS880b Sujets spéciaux en technologies de la santé (3 cr.) Biomatériaux avancés : propriétés de surface et de volume 1 OBJECTIFS SPÉCIFIQUES Dans tous les domaines d application des matériaux, les propriétés de surface et de volume jouent un rôle essentiel dans la fonctionnalité d un dispositif. Dans le cas des biomatériaux, elles influencent non seulement la fonctionnalité mais également la biocompatibilité du matériau, c'est-à-dire sa capacité de provoquer des réactions biologiques appropriées. Dans de nombreux cas, les matériaux sont choisis pour leurs propriétés mécaniques, électriques ou physicochimiques, mais sans avoir les propriétés de surface adéquates. Heureusement, il est possible de modifier ces dernières sans altérer les propriétés volumiques, par une grande variété de techniques. De plus, la fabrication et la caractérisation de matériaux avancés (poreux, gradués, polymères et hydrogel) posent des défis particuliers. L assimilation du contenu de ce cours aidera à approfondir les propriétés de volume et de surface des matériaux polymériques et métalliques. Il permettra de comprendre ce que sont les propriétés de surface, les méthodes expérimentales d analyse et de modifications des surfaces, ainsi que les méthodes de fabrication, caractérisation et modification des matériaux avancés métalliques et polymériques. L accent sera mis sur les applications biomédicales et plus particulièrement (mais non exclusivement) sur les biomatériaux. À la fin de ce cours, l étudiant devra : 1) connaître les propriétés de surface et les principes des principales techniques de caractérisation des surfaces; 2) comprendre les avantages et limites des différentes techniques; 3) connaître les méthodes de fabrication des matériaux avancés et leur caractérisation; 4) avoir développé ses qualités d investigation (expérimentation et analyse des résultats) sur au moins 2 de ces techniques; 5) avoir développé sa culture générale sur les méthodes de modification des surfaces, tant physiques, chimiques que biologiques; 6) avoir développé sa capacité de présenter oralement et d expliquer des connaissances scientifiques; 7) avoir acquis les bases nécessaires et une petite expérience de la rédaction d un article scientifique. GTS880b Plan de cours Automne 2012 Page 1 sur 7

2 La matière du cours peut être regroupée en 3 parties principales : 1) Propriétés et techniques de caractérisation de surface Les propriétés de surface (énergie de surface, hydrophilie, composition, charge, rugosité ) seront étudiées, ainsi que les principales techniques permettant de les évaluer. L accent sera mis sur les techniques couramment utilisées dans le domaine des biomatériaux (goniométrie d angle de contact, profilométrie, microscopie électronique à balayage, spectroscopie électronique à rayon X (XPS), spectroscopie Auger, spectroscopie infrarouge ATR (FTIR-ATR), ToF-SIMS, microbalance à cristal de quartz à dissipation d énergie (QCM-D) etc.). Cette partie du cours inclura une partie magistrale et des laboratoires. 2) Modification des propriétés de surfaces ou de volume des matériaux Cette partie du cours sera constituée en partie (1 h) de présentation orale des étudiants portant sur différentes techniques de modification des propriétés de surface ou de volume des matériaux (avec ou sans revêtement). Ces présentations résulteront des projets des étudiants durant la 1 re partie de la session. Ces projets seront effectués en équipe multidisciplinaire et incluront une description de la méthode, ses avantages et limites, avec un exemple détaillé ainsi que l influence des propriétés de surface sur la fonctionnalité ou la biocompatibilité d un matériau. Le reste du temps (2 h) sera constitué de cours magistraux sur les méthodes de modification de surfaces. 3) Matériaux avancés pour applications biomédicales Méthodes de modification des propriétés de volume des métaux et d alliages métalliques : traitements thermiques et thermomécaniques et leur influence sur la microstructure et les propriétés structurales et fonctionnelles. Techniques d analyse microstructurale (rayon X, microscopie électronique) et macroscopique (calorimétrie différentielle à balayage, essais de relaxation de contrainte, etc.). Méthodes de fabrication (métallurgie des poudres, frittage direct laser, etc.) et de caractérisation (tomographie rayon X, pycnométrie, etc.) des matériaux métalliques poreux et gradués. Tout au long du cours, on montrera, par différents exemples pratiques, l importance des propriétés de surface et le choix des techniques de caractérisation et modifications appropriées. 2 STRATÉGIES PÉDAGOGIQUES Cours (13 X 3 h = 39 h) : 27 heures d'enseignement magistral (dont 2 heures par les étudiants). 2 heures de visites. 2 heures de quiz qui auront lieu lors des heures de cours. 5 heures de travail sur le projet. 3 heures de présentation des projets finaux par les étudiants. Page 2 sur 7 Plan de cours Automne 2012 GTS880b

3 18 heures de travaux dirigés qui se composent de : 15 heures de laboratoires (5 séances de TP de 3 heures) portant sur les essais de caractérisation des propriétés (surface, volume) des matériaux (goniométrie, DSC, microscopie à balayage, etc.). 3 heures de visite de laboratoires d analyse et modification de surface. Une recherche personnelle avec présentation de 5 minutes en cours sur une technique de caractérisation des matériaux (à choisir dans la liste proposée). Un projet de session personnel à réaliser avec présentation en fin de session. Chaque étudiant doit consacrer environ 3 h/semaine de travail personnel pour réviser la théorie, rédiger les rapports de laboratoire, acquérir les connaissances requises et préparer la rédaction et la présentation du projet de session. 2.1 Contenu des cours Cours 1 (SL) : Introduction (Plan de cours, objectifs et travaux). Choix des projets. Rappel sur les classes de biomatériaux, la biocompatibilité et l importance des propriétés de surface et leur définition. Effet sur la biocompatibilité des biomatériaux. Cours 2-3 (SL) : Surfaces et propriétés de surface : définition, énergie de surface, mouillabilité, hydrophilie, dureté et techniques associées (goniométrie d angle de contact, potentiel Zeta, micro- ou nanoindenteur ). Techniques de caractérisation de surface a) Composition de surface et les techniques spectroscopiques associées : ESCA (ou XPS), Auger, SIMs, FTIR, Tof- SIMS. Cours 4 (SL) : Techniques de caractérisation de surface b) Topologie-morphologie et techniques associées (microscopie électronique à balayage, microscopie optique, AFM, profilométrie, coefficient de friction ). Cours 5 (SL) : Cellules, tissus, matrice extracellulaire et interactions surface / milieux et tissus biologiques et méthodes de caractérisation des interactions surface/milieux biologiques (SPR, QCM-D, microscopie confocale, microscopie à fluorescence). Cours 6 (SL) : Méthodes de modification des surfaces (définition et principes généraux; modifications physico-chimiques (electropolissage, anodisation, galvanisation des métaux, plasma froid, plasma chaud, implantation ionique, revêtements, fonctionnalisation etc.); modifications biologiques (greffage de molécules ). Cours 7 (SL) : Méthodes de modification des surfaces (suite) et quiz 1. Cours 8 (VB) : Rappel sur l architecture atomique des solides cristallins, notions de cristallographie et analyse microstructurale par diffraction des rayons X. Cours 9 (VB) : Rappel sur la structure et les propriétés des matériaux polymères, calorimétrie différentielle à balayage, analyse thermomécanique; essai de relaxation de contrainte. GTS880b Plan de cours Automne 2012 Page 3 sur 7

4 Cours 10 (VB) : Méthodes de modification des propriétés de volume des métaux et d alliages métalliques : traitements thermiques et thermomécaniques et leur influence sur la microstructure et les propriétés structurales et fonctionnelles. Cours 11 (VB) : Méthodes de fabrication (métallurgie des poudres, frittage direct laser, etc.) et de caractérisation (tomographie rayon X, pycnométrie, etc.) des matériaux métalliques poreux et gradués pour les applications biomédicales. Cours 12 (VB/SL) : Quiz 2 et travail supervisé sur le projet. Cours 13 (VB/SL) : Présentation des projets sur les modifications des matériaux par les étudiants. 2.2 Contenu des laboratoires Les 3 laboratoires (5 séances car deux double-séances) permettent d intégrer des notions sur les techniques de caractérisation des matériaux et des surfaces. Des rapports de laboratoire seront requis pour chaque laboratoire. Les étudiants travailleront en groupe de 2. LABO 1 «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. LABO 2 «TRANSFORMATION DES PHASES À L ÉTAT SOLIDE CHEZ LES MÉTAUX À MÉMOIRE DE FORME» Objectifs : Mettre en évidence les phénomènes de transformation de phases à l état solide à caractère thermoélastique qui sous-tendent les propriétés superélastiques des matériaux à mémoire de forme. Faire connaissance avec une des techniques modernes d analyse microstructurale, la diffraction des rayons X. LABO 3 «COMPORTEMENT THERMOMÉCANIQUE ET VISCOÉLASTIQUE DES POLYMÈRES» Objectifs : Mettre en évidence les propriétés thermomécaniques des polymères amorphes, cristallins et semi-cristallins par des mesures expérimentales. Faire connaissance avec les techniques modernes de caractérisation des matériaux (calorimétrie différentielle à balayage, essais mécaniques de relaxation de contrainte, etc.). 2.3 Projet de session Étapes du projet : - Choisir un matériau pour une application donnée et proposer un objectif d amélioration du matériau (semaine 1). - Choisir et appliquer une technique de caractérisation adaptée à cette modification proposée et la décrire. En faire une courte présentation orale devant la classe (5 min + 2 min de Page 4 sur 7 Plan de cours Automne 2012 GTS880b

5 questions) incluant le principe, instrumentation, avantages et limites (semaine 3, 4 ou 7, selon les cas). - Choisir une technique de modification appropriée à cet objectif et la décrire (principe, instrumentation, coût, exemples de résultats obtenus, analyse, avantages et limites par rapport aux autres techniques disponibles etc.). - Rédiger un rapport contenant toutes ces informations, ainsi que l analyse critique d un article scientifique incluant des résultats de cette technique de caractérisation (ou de modification). Faire une présentation orale devant la classe (20 min/personne) (semaine 13). 3 ÉVALUATION - Deux quiz de 1 h chacun 40 % - Laboratoires (3) 30 % - Présentation d une technique de caractérisation de surface (5 min + 2 min de questions) 10 % - Présentation du projet de session (20 min + 5 min de questions) 20 % ABSENCE À UN EXAMEN ET À UN LABORATOIRE. Dans les cinq (5) jours ouvrables suivant la tenue de son activité d évaluation, l étudiant devra justifier son absence auprès de la Coordonnatrice - Affaires départementales (Génie mécanique) pour une activité d évaluation durant la session et auprès du Bureau des services académiques pour un examen final. 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 «Chapitre 10 : Plagiat et fraude» du «Règlement des études de 1 er cycle» s appliquent dans ce cours ainsi que dans tous les cours du département de génie mécanique. Afin de sensibiliser les étudiants au respect de la propriété intellectuelle, tous les étudiants doivent consulter le document Citer, pas plagier! : 4 RÉFÉRENCES Il n y a pas de référence obligatoire. Cependant, la lecture de chapitres de livre donnés avec les notes de cours est obligatoire. De plus la lecture d autres chapitres de livres identifiés est fortement conseillée car cela permet de consolider les notions présentées en classe. Références conseillées : - Biomaterials : the intersection of biology and materials science. Temenoff JS and Mikos AG (Eds). Pearson Prentice Hall Bioengineering. - Materials science and engineering. WD Callister (Ed). Wiley 7 th Ed, 2007 GTS880b Plan de cours Automne 2012 Page 5 sur 7

6 GTS880b - Calendrier du cours Automne 2012 Cours : Mardi 13h30-17h00, local à déterminer TP/Labo : Mercredi 13h30-17h00, local à déterminer Lundi Mardi 13 h h (cours) Mercredi pm (Labo A1214) 1 4 septembre Cours annulé pour cause d élection 2 11 septembre Cours 1 : Intro rappels et définition sur les biomatériaux, biocompatibilité et biofonctionnalité, importance des propriétés de surface et volume (SL) 3 18 septembre Cours 2 : Surfaces, propriétés de surface et techniques de caractérisation de surface des biomatériaux 1 (SL) 4 25 septembre Cours 3 : Techniques d analyse de surface 2 : Composition et topographie de surface et les techniques microscopiques associées (incl. visite labo ETS) (SL) Présentations sur les techniques de caractérisation de surface 5 2 octobre Cours 4 : Biocompatibilité avancée : cellules, tissus, matrice extracellulaire et interactions avec les surfaces (SL) (cours donné au CHUM, incluant visite de laboratoire) 6 Action grâce 9 octobre Pas de cours (horaire du lundi) 7 16 octobre Cours 5 : Modification physico-chimique et biologiques des surfaces (SL) + Présentations sur les techniques de modification de surface 8 23 octobre Cours 6 : Modification physico-chimique et biologiques des surfaces (suite) (SL) Quiz cours octobre Cours 7 : Architecture atomique des solides cristallins, cristallographie et diffraction des rayons X (VB) 10 6 novembre Cours 8 : Structure et propriétés des polymères (VB) novembre Cours 9 : Méthodes de modification des propriétés de volume des métaux et d alliages métalliques (VB) novembre Cours 10 : Biomatériaux poreux : fabrication, caractérisation, modélisation (VB) novembre Cours 11 : Quiz cours 8-11 et travail supervisé sur le projet 14 4 décembre Cours 12 : Présentation des étudiants (modifications des matériaux) 5 septembre 12 septembre 19 septembre Labo 1 : Énergie de surface et goniométrie de contact 26 septembre 3 octobre Remise rapport labo 1 10 octobre 17 octobre Visite labo caractérisation Poly 24 octobre Horaire du jeudi Labo 2 (1) Labo 2 (2) 31 octobre 7 novembre 14 novembre 21 novembre Labo 3(1) Remettre rapport Labo 2 28 novembre Labo 3(2) 5 décembre Remettre rapport Labo 3 Page 6 sur 7 Plan de cours Automne 2012 GTS880b

7 Courriel «ÉTUDIANTS-PROFESSEURS» Le Service des technologies de l information, en collaboration avec les départements et le Service des enseignements généraux, vous présentent leur service de «courriel étudiantsprofesseurs». Cet outil vise à augmenter la quantité de services offerts aux étudiants et à favoriser un échange accru d informations entre les étudiants et les professeurs. Chaque étudiant disposera d une boîte de courriel (15 MB) et d une adresse normalisée. Chaque professeur pourra ainsi communiquer avec un étudiant ou avec l ensemble des étudiants inscrits à son cours. a) Clientèle cible : tous les étudiants inscrits à chaque session. b) Accessibilité : à partir d un fureteur quelconque sur le site WEB de l ÉTS sous la rubrique : GUICHET INTERACTIF. à partir d un fureteur quelconque à l adresse suivante : à partir d un logiciel client en mode POP3 ou MAPI : serveur entrant : webmail.ens.etsmtl.ca serveur sortant : le serveur SMTP de votre fournisseur Internet. c) Authentification au système de courriel : à chaque session de travail, le système de courriel vous demandera de vous identifier; une fenêtre (Mot de passe réseau) apparaîtra et vous devrez fournir à la rubrique : Nom de l utilisateur : votre code d accès universel; Mot de passe : votre NIP (utilisé dans ChemiNot). Pour connaître votre code d accès universel? Allez dans ChemiNot, sous l onglet intitulé : Info.générales. La forme générale de ce code est la suivante : AA Si vous avez oublié votre NIP, allez au Bureau du registraire. Avec la création de votre boîte de courriel, le système de courriel vous a également créé une adresse électronique dite «normalisée» que vous pouvez diffuser. Elle a la forme suivante : Prénom.nom.99@ens.etsmtl.ca (disponible dans ChemiNot). Notez que cette adresse normalisée ne contient pas de caractères accentués, ni de caractères spéciaux comme par exemple : l apostrophe et l espace (les logiciels de courriel ont horreur de ces caractères). Bonne utilisation. Service de l informatique et des télécommunications GTS880b Plan de cours Automne 2012 Page 7 sur 7