Développement des procédures expérimentales

Les combinaisons de tests sont basées sur l’alternance de séquences du test d’usure (simulateur de marche), de chocs (machine de chocs) et de vieillissement artificiel (autoclave). Les conditions expérimentales propres à chaque combinaison sont données dans les chapitres 3 et 4. Une vue globale des différents types de combinaisons mis en œuvre est donnée Figure 2.16 ; des tests individuels sont également réalisés puisqu’ils sont nécessaires lors de l’investigation des effets de couplage. Ces différents tests expérimentaux, bien que dits « accélérés » (par rapport aux conditions réelles d’application), requièrent un temps global de réalisation conséquent (partie II.3.2.2) ; ceci restreint les possibilités de répétition et la réalisation de toutes les combinaisons possibles (soit 7 combinaisons en incluant les tests individuels). Toutefois, l’analyse de l’état de l’art offre la possibilité d’un examen complet du comportement du composite ZTA autour des trois modes de dégradation étudiés.

Figure 2.16: Vue globale des combinaisons de tests mises en œuvre et apport de l’état de

l’art (Al-Hajjar et al., 2010, 2013, 2016; Clarke et al., 2006, 2009; Douillard et al., 2012; Green, 2005; Gremillard et al., 2013; Stewart et al., 2003).

3. Les procédures expérimentales Chapitre 2 : Techniques et procédures expérimentales

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Le caractère séquentiel des procédures expérimentales définies permet la caractérisation non destructive des matériaux entre chaque séquence de test. L’attention est plus particulièrement portée sur l’analyse des têtes fémorales : leur convexité facilite cette analyse, par rapport à la concavité des cupules. La rugosité, le volume d’usure et le taux de phase monoclinique sont ainsi évalués périodiquement au cours des tests expérimentaux (chapitres 3 et 4). Les méthodes de caractérisation destructives sont appliquées à la fin de ceux-ci (chapitre 5).

3.2.2. Equivalences in vitro et in vivo

La réalisation de tests expérimentaux « accélérés » implique la notion de temps : à quelle « vitesse » se déroulent-ils, par rapport aux conditions réelles d’application ? Puisque l’un des objectifs de ce travail de thèse est la comparaison quantitative du degré de dégradation engendré par chacun des tests individuellement réalisés, il est nécessaire de définir une échelle de temps commune à l’ensemble des tests ; cette échelle est aussi nécessaire pour ensuite les combiner équitablement. Celle-ci est définie à partir des équivalences entre ce qui est reproduit in vitro (typiquement le nombre de cycles ou de chocs) et ce que ceci représente temporellement in vivo.

Le test d’usure standard sur simulateur de marche reproduit les conditions de la marche simple. On estime qu’un million de cycles in vitro correspond à une année in vivo (Table 2.1) : on a vu au chapitre 1 qu’un sujet implanté réalise environ un million de pas par an. Expérimentalement, la fréquence des cycles est de 1 Hz : une année in vivo est simulée théoriquement en un peu moins de 12 jours (complets, c’est-à-dire pour un fonctionnement sans interruption).

Les cinétiques du vieillissement à basse température dépendent de la température et de l’énergie d’activation de la transformation de phase du matériau. En générale, on estime qu’une heure en autoclave à 134°C est équivalente à 2 à 4 ans in vivo pour des matériaux à base de zircone (Chevalier et al., 1999) ; cette équivalence est cependant susceptible de varier d’un matériau à un autre (Chevalier et al., 2009). Dans ce travail de thèse, on a souhaité étudier de façon critique le phénomène de vieillissement à basse température et ainsi le surestimer par rapport aux autres modes de dégradation : on estime a priori qu’une heure in vitro est équivalente à une année in vivo.

La décoaptation est susceptible de se produire au cours de différents types d’activités et est à l’origine des chocs entre la tête et la cupule. L’amplitude des chocs dépend de l’activité à laquelle ils sont associés : en appliquant une forte charge lors des essais sur la machine de chocs (plusieurs kN), on estime que l’on reproduit les conditions rencontrées lors d’une montée ou descente d’escalier, en condition de décoaptation. Ainsi, on considère qu’un sujet implanté actif prend 100 000 marches d’escalier par an, soit environ 15 marches (montée ou descente) 18 fois par jour ; 100 000 chocs in vitro sont équivalents à une année in vivo. Sur la machine de chocs, la fréquence des tests est fixée à 1,2 Hz : une année in vivo est simulée théoriquement en un peu moins de 1 jour.

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Table 2.1: Equivalences in vitro et in vivo pour chaque type de test.

Equipement in vitro in vivo Conditions in vitro Conditions in vivo Simulateur de

marche

1 M de

cycles 1 an ISO 14242-1 Marche normale

Autoclave 1 heure 1 an ISO 13356 et 6474 Environnement physiologique Machine de chocs 100 000 chocs 1 an Décoaptation et forte charge Prendre un escalier avec décoaptation

La durée théorique indiquée ici pour chaque test expérimental ne prend pas en compte le temps nécessaire pour les phases de montage, démontage, nettoyage, caractérisation des matériaux, etc. En moyenne, un test sur la machine de chocs (typiquement 1,5 M de chocs) dure environ deux mois ; la combinaison incluant les trois types de tests a requis plus de 8 mois de travail expérimental.

3.2.3. Problématiques techniques et solutions

Ce travail de thèse est le premier à développer une combinaison de tests incluant la machine de chocs et le simulateur de marche. Le montage des éléments du couple prothétique est, à l’origine, unique à chaque équipement. Il est adapté pour répondre aux contraintes et à la cinématique de chaque type de test. Ainsi, un travail de conception et de fabrication de supports pour les composants du couple prothétique a du être réalisé afin de passer d’un équipement à un autre sans en limiter les capacités. Un nouveau porte-cupule a été créé pour les séquences de test sur le simulateur de marche (Figure 2.17) ; le design de l’échantillon ne permettant pas d’utiliser le support d’origine. La tête est solidaire de son cône durant la durée totale de la combinaison ; un nouveau porte-cône a été conçu pour chaque équipement. Puisque que la combinaison de tests implique de nombreuses phases de montage et démontage, les supports réalisés doivent assurer une manipulation rapide, robuste et reproductible.

3. Les procédures expérimentales Chapitre 2 : Techniques et procédures expérimentales

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Figure 2.17: Montage des éléments du couple prothétique lors de la combinaison des tests

d’usure et de chocs.