Étude de vie en fatigue

Le but de cette étude est double. Premièrement, nous désirons estimer la vie en fatigue d’un SDF par tresse en alliage superélastique. Deuxièmement, nous désirons comprendre les

facteurs qui influencent la vie en fatigue de ces tresses de façon à pouvoir améliorer leur performance. Pour répondre à ces objectifs, les filaments qui constituent la tresse sont testés selon un large éventail de déformations moyenne et alternée de façon à obtenir un bon aperçu du comportement de la résistance en fatigue. Les filaments sont considérés comme étant les éléments témoins permettant de définir la résistance en fatigue maximale atteignable par la tresse. Les tresses sont aussi testées selon des modalités comparables. La comparaison des résultats obtenus pour les filaments et pour les tresses mène à une analyse de l’écart entre les résultats. Cette étude est présentée en détail dans l’article 2 au chapitre 5. Le matériel, l’équipement, ainsi que l’étendue du plan d’expérience, sont donnés dans la présente section.

3.2.1 Matériel

Deux types d’échantillons sont testés. Le premier est une tresse en alliage à mémoire de forme tubulaire telle que décrite dans la section matériel de l’étude fonctionnelle (section 3.1.2, page 46). Le second est le filament qui constitue la tresse. Le filament est présenté sous deux formes dans l’étude : le premier est le filament tel que reçu de la compagnie SAES MEMRY (Bethel, CT, É.U.) et traité en fil droit selon les mêmes spécifications que la tresse, il est utilisé pour l’étude comparative principale; le second est un filament retiré d’une tresse qui a subi l’ensemble du traitement thermomécanique de mise en forme, ce filament est utilisé pour expliquer une partie de la différence de la résistance en fatigue entre la tresse et le filament.

3.2.2 Équipement

Les tests de fatigue mécanique sont effectués sur une machine de traction ENDURATEC ELF 3200 (BOSE Corp., MI, USA) équipée d’un bain d’eau et d’un chauffe-eau électronique.

L’analyse des surfaces de rupture est faite à l’aide d’un microscope électronique HITACHI S-3600N (Japan), utilisé à 15KV.

La température de transformation est mesurée à l’aide d’un diffractomètre rayon X X`PERT PRO (PANALYTICAL, Pays-Bas) utilisant des radiations CuKα à 45 KV et un taux de chauffage de 35 K/min.

3.2.3 Procédure expérimentale

Pour s’assurer que les essais débutent dans le même état de phase, les échantillons sont préalablement étirés à 8 % de déformation avant d’être relâchés au niveau de déformation minimale de l’essai. Cet étirement initial important, produit de la martensite alignée dans le sens de la déformation, ce qui devient l’état initial de l’essai, tout en simulant une surcharge importante lors de l’installation. Les essais sont effectués à une fréquence de 2 Hz dans un bain d’eau maintenant la température à 37°C. Cette fréquence a été vérifiée comme produisant le taux de chargement maximal pouvant être imposé de façon à limiter l’échauffement induit par la transformation de phase de l’échantillon pour toutes les modalités de l’essai. La limite de nombre de cycles de l’essai est fixée à 100 000 cycles.

La plage de déformation moyenne imposée est de 2 à 7,1 % pour les filaments et les tresses. La plage de déformation alternée est de 0,6 à 3.8 % pour les filaments et de 0,3 à 3.8 %, pour les tresses. En effet, la résistance en fatigue plus faible des tresses fait en sorte que la plage d’essais est étendue vers les faibles niveaux de déformations alternées. Les modes de déformation moyenne et alternée sont combinés pour assurer que l’échantillon est constamment tendu et que la déformation maximale ne dépasse pas le seuil de rupture de l’échantillon dès le premier cycle. Chaque modalité testée est répétée au moins une fois.

À partir de ces essais, le nombre de cycles à la rupture est comptabilisé ainsi que les contraintes moyennes et alternées, une fois que l’échantillon est stabilisé (200e cycle). Les contraintes mesurées permettent de faire un parallèle entre un chargement à déformation contrôlé et un chargement à contrainte contrôlé.

CHAPITRE 4

ARTICLE #1 « MEDIAN STERNOTOMY: COMPARATIVE TESTING OF BRAIDED SUPERELASTIC AND MONOFILAMENT STAINLESS STEEL

STERNAL SUTURES »

Y. Baril1, V. Brailovski1,, M. Chartrand1, P. Terriault1, R. Cartier2

1_{École de technologie supérieure, 1100 rue Notre-Dame Ouest,}

Montreal (PQ), Canada, H3C 1K3l

2_{Montreal Heart Institute, 5000 rue Bélanger, Montréal (PQ), Canada, H1T 1C8}

Ce chapitre est publié comme un article dans « Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part H: Journal of Engineering in Medicine », vol. 223, no 3, p. 363-374.

Résumé

Cet article, publié dans « Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part H:

Journal of Engineering in Medicine » (DOI: 10.1243/09544119JEIM481), est consacré à la

validation et à la comparaison des caractéristiques fonctionnelles de la tresse en alliage superélastique et d’un système de fermeture standard. Les tresses sont installées sur des sternums en polyuréthane à l’aide d’un outil de mise sous tension standard permettant de déterminer précisément la charge appliquée. Les tresses sont maintenues en place grâce à un manchon en acier inoxydable. Pour leur part, les systèmes en acier inoxydable Ethicon no 5 sont installés en utilisant la technique classique, c’est-à-dire en torsadant les bouts à l’aide d’une pince chirurgicale. Les deux systèmes sont installés selon la même configuration.

Les systèmes sont testés sur le banc d’essai simulateur de sternum décrit dans l’article présenté en annexe I (Chartrand, Brailovski et Baril, 2009). Ils sont soumis à des essais en mode statique et en mode dynamique. Le premier essai permet de caractériser le système en fonction de la force latérale appliquée, alors que le second vise à modéliser des quintes de toux et à suivre l’impact de celles-ci sur la capacité du système à maintenir la liaison osseuse.

Les mesures comparatives sont faites sur la base de deux variables : l’ouverture de la liaison osseuse et la force de compression à l’interface à cette liaison.

Les résultats montrent que le système de fermeture par tresse superélastique permet l’ouverture du sternum à des charges similaires à celles du système classique. Toutefois, le système par tresse applique une charge relative plus importante à la suite d’une perturbation que ne le fait le système classique. Il a donc la même capacité de maintien de la fermeture, mais permet de réappliquer une charge plus importante une fois la perturbation passée.

Abstract

A new device to reduce the risk of postoperative complications following median sternotomy is proposed, made of a superelastic shape memory alloy and called Braided Tubular Superelastic (BTS) suture. This study compares the viability of the BTS suture to that of the standard Monofilament Stainless Steel (MSS) suture. A custom test bench was developed to perform comparative testing of the two sternal closure systems. Sternal models made of polyurethane were closed using common wiring configurations. Static and dynamic tensile separation forces, up to a maximum of 1200 N, were then applied to the closed sternums. The MSS and BTS sutures are compared in terms of the force required to completely open the sternum, the compression force at the sternum midline, and the permanent sternum opening. With a smaller sternum opening and a higher tensile separation force, the MSS suture showed greater rigidity than the BTS suture. The BTS suture, however, displayed a better capacity to reapply compression forces at the sternum midline following the repetitive application and release of tensile separation forces. These results confirm the potential of the BTS suture technology, but further studies using cadaveric sterna are needed to definitely attest to the benefits of using the BTS suture to improve bone healing.