Choix du mécanisme tribologique – dispositif expérimental

Les caractéristiques du mécanisme tribologique du modèle articulaire sont simulées par un dispositif expérimental mis au point dans le cadre de la thèse d’Ana-Maria Sfarghiu [8], et conçu de façon à :

x permettre une investigation tribologique du contact par la mesure du frottement en même temps que visualisation in situ

x fonctionner dans des conditions de sollicitations telles que les effets de portance hydrodynamique sont totalement négligeables, de sorte que le régime de lubrification est de type limite, exacerbant ainsi le rôle des interfaces

A B

Figure 55. Schéma du dispositif expérimental :

A - tribomètre et mode de visualisation du contact ; B - exemple de courbe de frottement La charge normale est appliquée par gravité à l’aide de masses annulaires. Le coefficient de frottement est obtenu à partir de la mesure de la force tangentielle dans la configuration expérimentale de la figure 55. Cette mesure est réalisée en utilisant un capteur de position à courants de Foucault qui délivre une tension proportionnelle à la déformation du système de lames flexibles [133]. Cette déformation élastique est elle-même proportionnelle à la force tangentielle.

Un étalonnage avec des masses marquées permet d’obtenir la valeur de la constante de proportionnalité entre la force et la tension, qui est de l’ordre de 0.1 N/V. Cette constante

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dépend des conditions de démontage et de remontage du dispositif, nécessaires afin de l’utiliser sous le microscope. Par conséquent, un étalonnage est réalisé à chaque essai. La sensibilité, la gamme de linéarité, et la position du capteur sont telles que l'incertitude sur les mesures de forces comprise entre -1N et 1N est de 5.10^-4N.

Le rapport entre la force normale, imposée par gravitation, et la force tangentielle mesurée, correspond au coefficient de frottement. La variation de ce coefficient est enregistrée pendant les essais, donnant naissance à la “courbe de frottement”. Comme le mouvement de translation du premier corps est alterne, la courbe de frottement présente des parties positives et négatives, chacune correspondant à une alternance de déplacement.

Les données pour la courbe de frottement sont enregistrées dans un fichier de type « txt », qui peut être exploité dans Microsoft Office Excel. L’enregistrement de la courbe d’étalonnage s’effectue de la même manière (figure 56).

Figure 56. Exemple de courbe d’étalonnage

Le microscope optique droit (Zeiss) permet l’observation du contact à travers la contre face transparente (plaque en verre) (figure 55). Cette observation est réalisée in situ au cours du frottement soit en lumière blanche (classique) soit en fluorescence.

En lumière blanche il n’est pas possible de discerner des détails dans la zone de contact verre – lentille HEMA (figure 55.A).

En lumière fluorescente les mêmes paramètres d’acquisition de la caméra pour tous les essais ont été utilisés, afin de pouvoir comparer les différentes quantités de lipides fluorescents dans le contact. Avec cette lumière, nous avons pu observer l’évolution et la dégradation le cas échéant des interfaces lipidiques au cours du frottement, situations présentées dans la figure 57.

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Figure 57. Localisation des différentes zones délimitées par le diaphragme du microscope lors des observations in situ du contact articulaire modèle, en lumière blanche et lumière fluorescente :

A : chemin optique avec trois emplacements différents de la zone enregistrée : (1) sur la bordure du contact verre/HEMA, (2) sur le contact et (3) hors du contact. L’image octogonale du diaphragme du microscope est visible dans toutes les images quand le focus est ajusté sur les interfaces verre/HEMA (B-C) ou verre/lubrifiant (D-E).

B-C : images obtenues en lumière blanche ou fluorescente sur des surfaces couvertes de bicouches lipidiques. La bordure du contact est visualisée en lumière blanche comme une transition nette. En lumière fluorescente cette transition correspond à une bande d’épaisseur (flèches jaune dans l’image C) dans laquelle l’accumulation de lipides fluorescents indique une dégradation des bicouches lipidiques.

D-E : visualisation en lumière fluorescente hors du contact d’une surface en verre : (D) couverte d’une bicouche lipidique ou de liquide gel-out ou ; (E) couverte de liquide gel-in Ces visualisations permettent de suivre l’évolution des assemblages moléculaires au cours de frottement et à partir de ces visualisations on peut proposer des mécanismes d’accommodation de vitesses à l’intérieur de l’épaisseur du film lubrifiant. De point de vue tribologique cette accommodation de vitesses entre les corps en contact, dans notre cas HEMA qui se déplace à la vitesse de 0.5 mm/s et le verre qui est fixe (donc vitesse 0), pourra se faire par plusieurs mécanismes :

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A. glissement dans une épaisseur de film lubrifiant homogène

B. film lubrifiant avec séparation des phases et formation de ménisques

C. roulement des assemblages moléculaires dans le film lubrifiant

D. glissement dans plusieurs couches

121 Validation du mécanisme de lubrification limite

Comme les essais tribologiques ont été faits en présence ou en l’absence des interfaces lipidiques, nous avons dû nous assurer que les conditions expérimentales utilisées correspondent bien au cas de la lubrification limite.

En effet ce cas de lubrification est celui susceptible de mettre en jeu le rôle des interfaces lipidiques dans la biolubrification articulaire. En conséquence au cours des essais tribologiques avec des interfaces lipidiques il a fallu déterminer :

x L’influence de la variation de charge normale appliquée (pression)

Pour étudier la variation du coefficient de frottement avec l’augmentation de la charge normale, nous avons fait varier la charge normale entre 2.4 et 4 N (ce qui correspond à des pressions comprises entre 0.2 et 0.4 MPa compte tenu du diamètre de l’aire de contact ~ 2mm), avec une vitesse relative de déplacement constante v= 0.5 mm/s. Ces essais ont montré que le coefficient de frottement n’a pas varié, ce qui signifie qu’il n’est pas influencé par la variation de la charge normale.

x L’influence de la variation de vitesse de cisaillement

Pour les essais tribologiques effectués nous avons imposé des vitesses de cisaillement de 0.25, 0.5, 0.75 et 1.0 mm/s mais nous n’avons pas enregistré de variation du coefficient de frottement.

Par conséquent, nous n’observons pas d’effets de portance hydrodynamique dans nos

mesures pour les paramètres choisis (pression, vitesse relative). Ainsi, pour assurer une

bonne visualisation du contact modèle articulaire ex vivo en microscopie optique nous avons choisi d’utiliser une faible vitesse relative des surfaces de 0.5 mm/s et une pression de 0.3 MPa.

122 5.3.Résultats

En utilisant le dispositif expérimental et le modèle ex vivo décrit précédemment, nous avons étudié les différents types de liquides synoviaux avec ou sans interfaces de type bicouches lipidiques de DLPC (figure 52A). Comme dit également, nous avons utilisé des conditions expérimentales de sollicitations de sorte que les effets de portance hydrodynamique soient négligeables, favorisant la mise en évidence du rôle tribologique des assemblages moléculaires de type lipidique ou gel glycoprotéique : ainsi, une pression de 0.3 MPa et une vitesse relative de surface de contact de 0.5 mm/s ont été employées.

Pour chaque échantillon de liquide synovial étudié on a réalisé un à deux essais de mesures tribologiques.