IV. Biomécanique de la hanche 1.Anatomie de la hanche
IV.10. Influence de la température (A.Boulilla, 2010)
Une étude basée sur des implants instrumentés avec des jauges de contraintes et des capteurs de température a permis de mesurer l’élévation de température en différents endroits des PTH durant diverses activités (Bergmann et al. 2001 - 2, Bergmann et al. 2001 - 3). Durant la
Phase de balancement de la jambe Contact talon-Sol Retour
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marche, la moitié de l’élévation totale de la température a lieu durant les six premières minutes, tandis que le maximum est atteint au bout d’environ une heure. Même si les variations inter-individus sont importantes, ce maximum de température est toujours mesuré au niveau de la tête, démontrant que cette production de chaleur résulte de la dissipation de l’énergie de frottement entre la tête et la cupule. Le maximum de température est de 42,5 o
C pour un couple alumine-alumine et de 43,1 C° pour un couple alumine-UHMWPE. Néanmoins il n’y a pas de corrélation évidente, ni entre le poids du sujet et le maximum de température, ni entre le maximum de force et le maximum de température, d’autres paramètres devant masquer l’influence de la force, tels la longueur des pas et la fréquence de marche, ainsi que le volume de fluide synovial. Une comparaison intéressante a été effectuée en faisant pédaler les sujets. La moyenne du pic de température n’atteint alors que 39,9 oC, au lieu de 41,4 oC pour la marche. Ceci démontre tout de même l’influence de la force sur le pic de température, puisque, dans le cas du vélo, les forces n’atteignent que 45 % de celles mesurées durant la marche. Cette augmentation de température excessive peut être problématique puisqu’elle est susceptible d’entrainer une détérioration du liquide synovial et donc de ses propriétés lubrifiantes, conduisant a une usure plus rapide des parties prothèse. IV.11.Taux d’´echec des PTH en biocéramiques
Les principaux organismes d’alertes concernant les produits de santé sont, en France ; l’Agence Française de Sécurité Sanitaire des Produits de Santé (AFSSAPS), aux Etats-Unis ; la Food and Drug Administration (FDA), et au Royaume Uni : la Medicines and Healthcare products Regulatory Agency (MHRA). Ces organismes collectent les informations provenant des chirurgiens et des fabricants et émettent des bulletins d’alerte préconisant le retrait de lots de produits susceptibles de poser problème. En ce qui concerne les alertes et rappels de lots d’éléments de PTH en zircone, dés 1996, la stérilisation à la vapeur d’eau est déconseillée, celle-ci favorisant le vieillissement des matériaux et la dégradation de leurs propriétés mécaniques. Mais l’alerte la plus importante concerne plusieurs lots de têtes céramiques en zircone fabriquées par la société Saint Gobain Céramiques Avancées Desmarquet, entre janvier 1998 et aout 2001.En effet, en aout 2002, 191 ruptures étaient survenues en France. Les mauvaises propriétés mécaniques des céramiques concernées étaient dues à un mauvais réglage des fours, ce qui a entrainé une température de frittage trop faible et donc une hétérogénéité importante de la microstructure. Ce rappel est à l’origine de la perte de confiance des chirurgiens en la zircone.
En 2003, quelques cas de fractures de têtes alumine de diamètre 28 mm ont été reportés, faisant grimper les taux de rupture à 2,4 %. En 2004, quatre cas de ruptures de têtes alumine à
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cols courts ont été détectées, ces ruptures s’étant produites entre trois et neuf mois après implantation. En 2005, d’autres cas de ruptures de têtes alumine de diamètre 32 mm sont survenus, portant le taux de rupture à environ 4 %. Toutes ces ruptures concernent des têtes et non des cupules. Ceci vient du fait que très peu de couples céramique-céramique sont implantés, en comparaison avec les couples céramique-UHMWPE.
De plus, ces ruptures sont déclarées volontairement par les chirurgiens et les sociétés fabriquant ces prothèses, il n’est donc pas irréaliste de penser que d’autres ruptures surviennent sans être déclarées, et que le taux de rupture global réel est supérieur au taux admis de 1 tête fracturée pour 10 000 implantées (Weisse et al. 2003). Après plusieurs discussions avec les chirurgiens collaborant, il semblerait que le taux de casse soit proche de 1 à 3 pour 1 000, soit 10 à 30 fois supérieur à celui annoncé par les fabricants de prothèses. IV.12.Tribologie des couples biomatériaux utilisées en implantation
Lors de chaque mouvement, la tête du fémur effectue une rotation dans la cavité cotyloïdienne La tête du fémur et la cotyle fonctionnent en couple. Une bonne prothèse doit posséder un couple de rotation qui s’use peu
A chaque pas, le frottement des deux surfaces en contact, tête fémorale et cupule cotyloïdienne libre des particules d’usure. L’organisme cherche à éliminer ces particules « étrangers » et détruit aussi l’os avoisinant : c’est l’ostéolyse déviatrice pour le support osseux.
Figure VI.11 : Usure de la cotyle (Docteur François Prigent).
La tenue à long terme de prothèse est directement liée à l’usure des nouvelles surfaces articulaires mises en contact lors de l’intervention. Certains couples résistent mieux à l’usure que d’autre. Dans une prothèse ces deux éléments sont fabriques a partir de 3 composants : le plastique polyéthylène, le mental ou la céramique. (Docteur François Prigent).
Il existe actuellement quatre associations possibles : Métal/Métal
115 Céramique/Céramique Métal/Plastique Céramique/Plastique IV.12.1.Couples de frottement Couple métal/plastique
Le descellement des prothèses a couples métal /plastique a pour origine habituelle l’usure.
Pour diminue l’usure, la taille de la tête fémorale a été réduit ; En effet plus la tête est petite moins la cupule s’use. En contre le risque de luxation de la prothèse augmente. Dans le couple classique métal/plastique le compromis actuel s’accorde autour des diamètres de tête de 28 mm et 22 mm.
Couple céramique/plastique
Une tête céramique, de par sa faible rugosité, entraine une usure moindre de la cupule plastique avec laquelle elle fonctionne en couple. (Docteur françois Prigent)
Couple céramique/ céramique
Le couple céramique/céramique s’use très peu. Ceci permet des tailles de tete plus grandes et donc moins luxables (32 mm ; 36 mm). (Docteur françois Prigent)
Le couple céramique/céramique est une voie d’avenir, avec les technologies modernes le risque de fracture de la céramique est maintenant très rare (1/2000).
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Couple métal/métal
Le couple métal/métal s’use peu. Celui-ci permet également des tailles de têtes plus grandes et donc moins luxables. Le couple métal/métal prometteur, présente une préoccupation non encore résolue : la dispersion dans l’organisme de particules métalliques (Cobalt). (Docteur françois Prigent)
La durée a long terme d’une prothèse totale d e hanche est directement liée a
l’usure des surfaces articulaires en contact « Docteur François Prigent »
IV.12.2. Contact tête fémorale - cupule
La zone de contact tête fémorale – cupule se déplace au cours des différentes phases d'une activité. Si on applique une pression de contact à l'intérieur de la cupule, elle doit être modifiée pour chaque phase de chaque cas de charge étudié.
En appliquant une charge F au centre de la tête fémorale, dont le diamètre est légèrement inférieur à celui de l'intérieur de la cupule (φ tête = 28 mm; φ cupule ~ 28,1 mm), on obtient un modèle plus proche de la réalité ainsi l’approche théorique proposer sur l’extension de hertz et permettant de reproduire toutes les phases de chaque mouvement en ne changeant que les composantes des efforts à appliquer.
IV.12.3. Approche mécanique
Aujourd'hui, la plupart des modèles mécaniques reposent sur l'extension des travaux de Hertz
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- les matériaux sont supposés être élastiques, homogènes et isotropes ; - la déformation des matériaux reste élastique ;
- le contact demeure plan au cours des essais ;
- la charge normale imposée donne des aires de contact dont la dimension doit rester petite devant celle des éprouvettes.
- le contact se fait sans glissement relatif des deux corps.
La distribution de pression, dans le cas d'un contact entre deux sphères ou deux cylindres (le long d'une génératrice) a été déterminée par Hertz. Les résultats ont ensuite été développés en étudiant l'effet d'une force tangentielle appliquée au contact et en calculant la distribution de l'effort de cisaillement générée au niveau du contact. Nous limiterons notre étude au contact entre cylindre et plan, plus proche de notre configuration. (K-H winder,M Majewski 2005).