Solutions modèles

Le liquide physiologique en contact avec la PTH a une composition chimique proche de celle du plasma sanguin. La composition en ions de ce dernier est décrite dans le Tableau 1.1a.

Concentration ionique (mmol.L−1) Na+ _142,0 K+ _5,0 Mg2+ _1,5 Ca2+ _2,5 Cl- _103,0 HCO− 3 27,0 HPO2− 4 1,0 SO2− 4 0,5

(a) Concentration ionique du plasma sanguin humain (Kokubo et al., 2003)

Concentration ionique (mmol.L−1₎ Na+ _147,0 K+ _3,4 Ca2+ _2,0 Cl- _150,7 HCO− 3 1,8

(b) Concentration ionique de la solution de Ringer

Certaines études sur le fretting-corrosion des implants orthopédiques ont été réalisées en solu- tion de Ringer (Geringer et al., 2005, 2006), dont la composition ionique (Tableau 1.1b) est proche de celle du plasma sanguin. Cependant, la présence de plusieurs ions peut entraîner un comporte- ment du contact différent (corrosion, attraction des surfaces...). C’est pourquoi cette étude s’est principalement focalisée sur des solutions salines 1:1, i.e. contenant un seul sel. Quelles que soient les conditions considérées, la présence d’ions chlorures a tendance à favoriser les réactions de des- truction du film passif au détriment de celles qui participent à sa reconstruction. Il en résulte

la rupture localisée ou totale du film passif. De plus, les ions Na+ et Cl− étant les ions majori-

taires dans le liquide physiologique, des solutions de chlorure de sodium (NaCl) sont choisies et l’influence de la concentration en chlorures est étudiée. Pour pouvoir comparer les essais réalisés en solution 1:1 ou en solution de Ringer, nous avons choisi d’analyser l’influence de la force ionique (équation 1.3) :

I = 1

2∑

i

z_i2Ci (1.3)

où zi est la charge ionique et Ci est la concentration de l’espèce ionique i.

Les protéines font aussi partie de la composition du liquide physiologique. Chaque protéine a une fonction et une structure différentes. Afin d’isoler le rôle des protéines dans la dégradation du contact, cette étude se focalise aussi sur le rôle d’une seule protéine, l’albumine, qui est la protéine majoritaire dans le corps. Plusieurs concentrations seront étudiées.

Le pH de la solution joue un rôle dans la dégradation des matériaux et particulièrement dans la dégradation du 316L par un phénomène proche de la corrosion caverneuse (Geringer et al., 2006). C’est pourquoi l’influence du pH global sur le comportement en fretting-corrosion sera aussi étudiée.

1.5.3 Conditions de fretting

En prenant en considération un individu de 60 - 80 kg, son poids est d’environ 700 ± 100 N. Au cours du cycle de marche, la force appliquée sur la tête fémorale peut aller jusqu’à trois fois le poids du corps (Figure 1.8), soit 2 100 ± 300 N. La pression, p, alors exercée sur une tête fémorale

d’un diamètre compris entre 22 et 32 mm est de l’ordre du mégapascal (p = Fn/S où Fn est la

force appliquée, Fn = 2 100 ± 300 N et S est la surface de contact entre la tête et la cupule,

S ~ 1 000 mm2 : p ~ 2 MPa). Au niveau de la zone A de la Figure 1.47a, la pression exercée

est de l’ordre d’une dizaine de mégapascals (Rubin et al., 1993). Pour balayer un domaine de pression s’appliquant en réalité, entre 7 et 28MPa, et reproduire ces valeurs de pression au niveau

du contact cylindre/plan (aire du contact = 15 mm de longueur × ~ 400 µm de largeur = 6 mm2_),

des forces normales comprises entre 42,5 et 170N peuvent être appliquées grâce à des masses. Nous nous sommes concentrés ici sur une pression d’environ 21 MPa, soit une force normale de 127,5 N.

-40 -20 0 20 40 0 1 2 3 4 D é p la c e m e n t im p o s é ( µ m ) Temps (s)

Durée d'un cycle = 1 s

D é p la c e m e n t im p o s é = ± 4 0 µ m

Figure _{1.48 : Déplacement imposé pour un essai de fretting-corrosion}

70 µm. Le déplacement choisi pour cette étude est de ± 40 µm (Figure 1.48). Le déplacement est sinusoïdal, de fréquence 1 Hz (fréquence du cycle de marche).

1.5.4 Problématique (Figure 1.49)

Dans le cas d’une PTH cimentée, la différence des propriétés mécaniques du 316L (E =197 GPa) et du ciment chirurgical (E =2,6 GPa), i.e. le phénomène de stress shielding, ainsi que la marche et les activités quotidiennes, entraînent un descellement entre la tige fémorale (316L) et le ciment chirurgical. Ce descellement conduit à des micro-déplacements, de l’ordre de la dizaine de µm, et la force appliquée sur la tête fémorale peut atteindre jusqu’à 3 fois le poids du corps, i.e. pression de l’ordre d’une dizaine de MPa entre la tige fémorale et le ciment chirurgical. La présence du liquide physiologique au niveau de l’articulation, principalement composé d’ions chlorures et d’albumine, et ce descellement entre la tige fémorale et le ciment chirurgical provoquent une détérioration et une fissuration du ciment, ainsi que la dégradation par fretting-corrosion de la tige. Les débris alors formés, provenant du ciment et de la tige (oxydes et ions métalliques), sont transportés par le liquide physiologique jusqu’aux tissus osseux, perturbant l’activité cellulaire des ostéoblastes et provoquant l’inflammation des tissus osseux. La ré-intervention chirurgicale devient alors inévitable.

Dans ce travail, grâce à un dispositif unique conçu pour réaliser les essais de fretting-corrosion sur des matériaux et une géométrie modèles, seront étudiées :

– l’influence des chlorures : le rôle des chlorures sur la corrosion des aciers inoxydables est déjà connu. Leur rôle sur le comportement des matériaux en fretting-corrosion sera alors vérifié ; – l’influence de l’albumine : le rôle de l’albumine sur la corrosion, avec ou sans frottement, est difficile à mettre en évidence. Son rôle peut être positif, neutre ou négatif suivant les matériaux. Le rôle de cette protéine sur le comportement en fretting du couple de matériaux

choisi pourra alors être déterminé ;

– l’influence du pH : les études à pH global “fixe” sont rares. Nos essais à pH global “fixe” permettront de faire des hypothèses sur l’évolution du gradient de pH dans la zone d’usure. Le suivi des grandeurs électrochimiques et mécaniques, des volumes d’usure ainsi que des différents termes de synergie sera analysé. La première particularité de ce travail consiste à observer et analyser toutes ces grandeurs (e.g. suivi de l’OCP, du courant de corrosion, de la résistance de polarisation, de l’énergie dissipée, du coefficient de frottement, des volumes d’usure de 316L et du PMMA et du terme de synergie) et d’étudier leur évolution en fonction de la force ionique, la présence ou non d’albumine et du pH. Les mesures de spectroscopie d’impédance électrochimique pendant fretting sont aussi une particularité : l’impact du fretting sur la couche passive pourra être mise en évidence grâce à la résistance de polarisation, mesurée avant et pendant frottement. Le calcul des différents termes de synergie se fait principalement pour des essais de frottement-corrosion ou d’érosion-corrosion, mais est très rare pour des essais de fretting-corrosion et est nouveau pour l’acier inoxydable.

CHAPITRE 2

MÉTHODES EXPÉRIMENTALES

Sommaire

2.1 Matériaux . . . 57

2.1.1 Acier inoxydable, 316L . . . 57