Article de référence | Réf : TRI4800 v1

La prothèse à faible frottement (métal-polymère)
Tribologie des prothèses de hanche

Auteur(s) : Stefano MISCHLER

Date de publication : 10 sept. 2013

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RÉSUMÉ

Intervention devenue courante, l’arthroplastie de la hanche doit son fort taux de succès à la pose de prothèses mécaniquement et chimiquement stables, assurant le rôle structurel et la fonctionnalité articulaire. Les matériaux utilisés doivent répondre pour cela à bon nombre de spécifications, dont l’absence de toxicité, une biocompatibilité, une résistance mécanique et une tenue à la corrosion. Après une description des aspects tribologiques de l’articulation synoviale naturelle, cet article détaille les avantages et inconvénients des prothèses à faible frottement et à faible usure.

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ABSTRACT

Tribology of hip joint prostheses

Now a common intervention, hip arthroplasty owes its high success rate to the mechanically and chemically stable prosthesis installation, ensuring a structural and joint functionality. The materials used must thus comply with a large number of specifications, including the absence of toxicity, biocompatibility, mechanical strength and corrosion resistance. After having described the tribological aspects of the natural synovial joint, this article describes the advantages and drawbacks of low-friction and low-wear prosthesis.

Auteur(s)

  • Stefano MISCHLER : Maître d'enseignement et recherche - Institut des matériaux, École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL)

INTRODUCTION

L'implantation d'une prothèse d"articulation de hanche est devenue une opération courante en chirurgie orthopédique avec un fort taux de succès. Dans le monde, le nombre de prothèses de hanche implantées annuellement se chiffre désormais en centaines de milliers voire en millions. La réussite d'une opération d'arthroplastie de la hanche requiert, d'une part, des prothèses mécaniquement et chimiquement stables et, d'autre part, des procédures cliniques adaptées. Du point de vue de l'ingénierie, le challenge est très complexe et consiste à produire des prothèses de forme adaptée à l'anatomie humaine et qui assurent à la fois leur rôle structurel et de répartition des charges ainsi que la fonctionnalité articulaire. Les matériaux utilisés doivent répondre à une série de spécifications : absence de toxicité, bonne biocompatibilité, résistance mécanique, bonne endurance à la fatigue, résistance aux chocs, tenue à la corrosion par les fluides corporels. Pour les parties articulaires et d'ancrage avec l'os s'ajoute la nécessité d'un comportement tribologique approprié. Dans cet article, la thématique de prothèses de hanche sera considérée uniquement du point de vue tribologique avec l'intention d'illustrer l'application, dans l'ingénierie des implants, des concepts de base liés au frottement, à la lubrification et à l'usure. L'article se concentrera sur la tribologie du joint articulaire et ne traitera pas, pour des raisons d'espace, la thématique de l'ancrage de la prothèse dans l'os et des points de contact statiques dans les prothèses modulaires.

L'article comporte, après cette introduction, une section énonçant les principaux matériaux utilisés pour la réalisation de prothèses suivie d'une section décrivant les aspects tribologiques de l'articulation synoviale naturelle. On présentera par la suite les concepts, avantages et limitations des prothèses à faible frottement et à faible usure. L'article se concluera par un bref bilan et un aperçu de perspectives de développement.

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KEYWORDS

friction   |   wear   |   lubrication   |   hip joint implant

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-tri4800


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3. La prothèse à faible frottement (métal-polymère)

3.1 Concept de Charnley

D'après l'analyse tribologique du joint synovial naturel présentée dans la section précèdente il apparaît qu'une prothèse articulaire doit idéalement offrir un faible frottement. Ce principe fut traduit en pratique pour la première fois par le chirurgien anglais John Charnley qui implanta en 1962 la première prothèse totale de hanche constituée par une partie fémorale monobloc (tige et tête en une seule pièce) en acier inoxydable et une cupule acétabulaire en polyéthylène à densité ultra haute (UHMWPE) . Le choix de ce couple résulte d'une part du caractère autolubrifiant du polyéthylène, comme en témoigne le faible coefficient de frottement de ce matériau lors du glissement contre du métal (voir tableau 3). D'autre part le UHMWPE possède une grande affinité chimique avec les protéines du liquide synovial qui, en s'adsorbant à sa surface, permettent d'établir un régime de lubrification limite.

Le concept de Charnley, continuellement amélioré dans le temps, notamment par l'introduction d'implants modulaires (voir figure 1) à la place des parties fémorales monobloc et le remplacement de l'acier inoxydable par de l'alumine ou des alliages CoCrMo, reste un des modèles de prothèses de hanche le plus implanté.

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3.2 Usure de la composante acétabulaire en UHMWPE

Cependant ce type de prothèse présente un défaut majeur lié à la relativement faible résistance à...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - ZAMBELLI (G.), VINCENT (L.) -   Matériaux et contacts : une approche tribologique,  -  PPUR (1998).

  • (2) - KURTZ (S.M.) -   The UHMWPE Handbook : Principles and Clinical Applications in Total Joint Replacement,  -  Elsevier Academic Press. (2004).

  • (3) - NOBLE (P.), COLLIN (B.), LECOMTE-BECKERS (J.), MAGNÉE (A.), DENOIX (J.-M.), SERTEY (N.D.) -   L'articulation synoviale : un système tribologique parfait  -  , Ann. Méd. Vét. 154, 83-93 (2010).

  • (4) - BERGMANN (G.), DEURETZBACHER (G.), HELLER (M.), GRAICHEN (F.), ROHLMANN (A.), STRAUSS (J.), et al -   Hip contact forces and gait patterns from routine activities.  -  J Biomech 34, 859–71 (2001).

  • (5) -   ASM Handbook 18, Friction, lubrication and wear technology,  -  ASM International (1992).

  • (6) - ATHESIAN (G.A.) -   The role...

DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES

  • Introduction à la tribologie

  • Tribocorrosion.

  • Corrosion et traitements de surface des biomatériaux

  • Usure des polymères – Étude expérimentale. Mécanique du contact

  • Propriétés du titane et de ses alliages

  • Zircone – Céramique fonctionnelle

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