CHAPITRE 3: EFFETS DES CHOCS ET DU VIEILLISSEMENT A BASSE TEMPERATURE
1. Résumé
Ce chapitre décrit un travail expérimental dont l’objectif est d’évaluer l’influence des chocs et du vieillissement à basse température sur la dégradation du couple prothétique en composite ZTA. Accompagné d’une analyse d’explants, ce travail permet également d’identifier de premières corrélations entre les dégradations engendrées in vivo et celles reproduites in
vitro.
Différentes combinaisons de tests expérimentaux ont été réalisées sur la machine de chocs et en autoclave. Des conditions mécaniques sévères ont été choisies pour les chocs avec l’application d’une force maximale de 9 kN en condition de décoaptation (1,3 mm). Un total de 1,5 M de chocs a été réalisé sur deux couples prothétiques, ce qui représente un équivalent de 15 années in vivo. Le vieillissement artificiel a atteint jusqu’à 110 heures en autoclave (2 couples prothétiques) afin d’évaluer le comportement à long terme du matériau. Le couplage de ces deux types de test a aussi été réalisé sur un couple prothétique en alternant des étapes de chocs et de vieillissement en autoclave (1,5 M de chocs et 15 heures en autoclave atteints à la fin du test). Des méthodes de caractérisation non destructives telles que la profilométrie 3D et la spectroscopie micro-Raman ont été appliquées en surface afin de suivre l’évolution de la rugosité, de la transformation de phase de la zircone et du volume d’usure en cours de test.
Les tests sur la machine de chocs ont engendré la formation de bandes d’usure de plusieurs mm de largeur sur la surface des têtes fémorales. Ces bandes ont été aisément définies grâce à leur état de surface distinct caractérisé par une nette augmentation de la rugosité par rapport à la surface du reste de la tête, non usée. Les analyses par spectroscopie micro- Raman ont révélé une augmentation du taux de phase monoclinique de la zircone de 10 à 40 % strictement limitée à l’intérieur des zones d’usure. Cette augmentation a atteint un plateau dès les premiers chocs appliqués ce qui permet de quantifier ce taux de phase indépendamment du nombre de chocs réalisés, ou du nombre d’années estimé. Le volume
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d’usure par opposition a présenté deux phases d’évolution distinctes : une première phase d’évolution rapide où il atteint en moyenne 0,97 mm3/an et une seconde phase plus stable où
il n’atteint plus que 0,22 mm3/an. Le volume d’usure moyen sur la durée totale des tests est
de 0,46 mm3/an, ce qui est comparable aux valeurs rapportées dans la littérature, notamment au cours d’études incluant des simulateurs de marche en condition de décoaptation (Al-Hajjar et al., 2013; Clarke et al., 2009; Stewart et al., 2003). La continuité du volume d’usure observée au sein de chaque test permet de valider la méthode de calcul développée.
Le vieillissement du matériau en autoclave a induit une augmentation du taux de phase monoclinique de la zircone de moins de 5 % au bout de 10 heures (soit une équivalence de 20 à 40 ans in vivo) et 10 % au bout de 110 heures. Le matériau composite étudié est donc très peu sensible au phénomène de dégradation à basse température. La combinaison des tests n’a mis en évidence aucun effet de couplage entre les deux modes de dégradation étudiés ici, les chocs et le vieillissement à basse température.
Un protocole d’analyse d’un nombre limité (5) d’explants a été développé afin de réaliser une comparaison quantitative et objective des dégradations in vitro et in vivo. On souhaite s’affranchir au maximum des variables inconnues liées à la spécificité de chaque explant (caractéristiques matériaux et design, patient, durée d’implantation, complications, etc.). Ainsi le taux de phase monoclinique a été mesuré distinctement sur des zones dites usées et non usées, les premières étant caractérisées par une plus haute valeur de rugosité, de façon similaire à ce qui avait été réalisé sur les composants testés in vitro. Sur la surface des explants, les zones d’usure ont présenté une augmentation de 20 % du taux de phase monoclinique. La valeur absolue de ce taux étant très variable d’un explant à un autre (origine différente de chaque implant), se focaliser sur la différence de taux entre les deux types de zones permet une comparaison objective avec les composants testés expérimentalement en chocs : ils présentaient une augmentation du taux de 30 % dans les bandes d’usure. L’analyse des explants sera complétée au chapitre 4.
Cette étude a ainsi permis d’aboutir à plusieurs conclusions qui guideront la suite du travail de thèse. Du point de vue du matériau composite, il faut d’abord noter qu’aucun composant n’a atteint la rupture dans des conditions sévères de chocs ; on remarque que la valeur d’effort choisie (9 kN) correspond à la valeur moyenne de l’effort de rupture de fémurs de sujets âgés ex vivo. La formation des bandes d’usure reste en revanche problématique puisqu’elle engendre une libération de débris d’usure. La transformation de phase a été induite au sein des bandes en réponse aux contraintes mécaniques appliquées au cours des chocs. Concernant les deux modes de dégradation étudiés, les chocs ont été la principale source de dégradation et n’ont pas induit d’effet de couplage avec le phénomène de vieillissement à basse température, dont le matériau est a priori peu sensible. Des zones d’usure présentant des caractéristiques similaires à celles créées in vivo ont été reproduites grâce à la condition de décoaptation. Elles renseignent aussi sur les possibles voies d’amélioration à suivre pour mieux se rapprocher du comportement in vivo : la force appliquée (9 kN) a induit une transformation de phase quantitativement plus importante in
vitro (augmentation de 30 % contre 20 % in vivo) et le contact linéaire entre la tête et la
cupule lors des chocs est à l’origine de bandes d’usure plus profondes et moins étendues que celles engendrées in vivo.
1. Résumé Chapitre 3 : Effets des chocs et du vieillissement 75 1ère phase (0-0,5 M chocs) 2nd phase (0,5-1,5 M) Durée totale (0-1,5 M) 0,97 mm3/an 0,22 mm3/an 0,46 mm3/an
Vieillissement à basse
température
Autoclave
134°C-2 bars 110 h (1 h ≈ 2-4 ans in vivo)Chocs en condition de
décoaptation
Machine de chocs
9 kN-1,3 mm (décoaptation) 1,5 M de chocs (≈ 15 ans in vivo) Pas d’effet de couplage Vm ↑ +5 % après 10 h Vm ↑ +10 % après 100 h ZTA : résistance au vieillissement
Pas de rupture
Formation bandes d’usure
Sa ↑↑ Vm ↑ +30 %
Analyse d’explants présentant des bandes d’usure
(4 ZTA et 1 Y-TZP)
Sa ↑
Vm ↑ +20 %
Force appliquée 9 kN :
conditions sévères
Libération débris d’usure !
Volumes d’usure:
In vitro ≈ in vivo : ↑ V
mbandes d’usure
Transformation de phase de la zircone mécaniquement
induite dans les bandes d’usure
Chocs dominent la dégradation : bandes d’usure
Corrélations
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