Bibliographie & annexes
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RÉSUMÉ
Intervention devenue courante, l’arthroplastie de la hanche doit son fort taux de succès à la pose de prothèses mécaniquement et chimiquement stables, assurant le rôle structurel et la fonctionnalité articulaire. Les matériaux utilisés doivent répondre pour cela à bon nombre de spécifications, dont l’absence de toxicité, une biocompatibilité, une résistance mécanique et une tenue à la corrosion. Après une description des aspects tribologiques de l’articulation synoviale naturelle, cet article détaille les avantages et inconvénients des prothèses à faible frottement et à faible usure.
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Stefano MISCHLER : Maître d'enseignement et recherche - Institut des matériaux, École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL)
INTRODUCTION
L'implantation d'une prothèse d"articulation de hanche est devenue une opération courante en chirurgie orthopédique avec un fort taux de succès. Dans le monde, le nombre de prothèses de hanche implantées annuellement se chiffre désormais en centaines de milliers voire en millions. La réussite d'une opération d'arthroplastie de la hanche requiert, d'une part, des prothèses mécaniquement et chimiquement stables et, d'autre part, des procédures cliniques adaptées. Du point de vue de l'ingénierie, le challenge est très complexe et consiste à produire des prothèses de forme adaptée à l'anatomie humaine et qui assurent à la fois leur rôle structurel et de répartition des charges ainsi que la fonctionnalité articulaire. Les matériaux utilisés doivent répondre à une série de spécifications : absence de toxicité, bonne biocompatibilité, résistance mécanique, bonne endurance à la fatigue, résistance aux chocs, tenue à la corrosion par les fluides corporels. Pour les parties articulaires et d'ancrage avec l'os s'ajoute la nécessité d'un comportement tribologique approprié. Dans cet article, la thématique de prothèses de hanche sera considérée uniquement du point de vue tribologique avec l'intention d'illustrer l'application, dans l'ingénierie des implants, des concepts de base liés au frottement, à la lubrification et à l'usure. L'article se concentrera sur la tribologie du joint articulaire et ne traitera pas, pour des raisons d'espace, la thématique de l'ancrage de la prothèse dans l'os et des points de contact statiques dans les prothèses modulaires.
L'article comporte, après cette introduction, une section énonçant les principaux matériaux utilisés pour la réalisation de prothèses suivie d'une section décrivant les aspects tribologiques de l'articulation synoviale naturelle. On présentera par la suite les concepts, avantages et limitations des prothèses à faible frottement et à faible usure. L'article se concluera par un bref bilan et un aperçu de perspectives de développement.
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L'articulation synoviale naturelle
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1. Les matériaux pour prothèses de hanche
La figure 1 montre une vue explosée d'une prothèse modulaire de hanche. Elle se compose d'une partie acétabulaire et d'une partie fémorale. La cupule acétabulaire est insérée dans la cavité articulaire, appelée acetabulum, de l'os coxal du bassin. Parfois une pièce en titane est interposée pour faciliter l'ancrage de la prothèse dans l'os, par exemple à l'aide de vis. Sa partie concave de forme sphérique constitue le joint dans lequel la tête de la composante fémorale vient s'articuler. Cette dernière est de forme sphérique avec une cavité conique sur sa base. La tête est enchâssée sur le cône de la tige fémorale lors de l'opération chirurgicale. Le chirurgien a donc la possibilité d'ajuster la longueur de la prothèse, en choisissant une tête ayant une dimension de la cavité conique appropriée à celle de la pointe conique. La tige fémorale est implantée dans le canal médullaire du fémur. Ce dernier est préalablement percé soit au diamètre de l'implant ou bien avec un certain surdimensionnement. Dans le premier cas la tige sera implantée directement dans l'os, dans le second le vide sera comblé à l'aide d'un ciment chirurgical à base de polyméthacrylate de méthyle (PMMA de l'anglais polymethyl methacrylate).
Plusieurs matériaux sont utilisés dans les prothèses d'articulation de hanche. Ceux-ci incluent des matériaux polymériques (polyéthylène de qualité médicale), métalliques (aciers inoxydables, alliages de titane, alliages à base de cobalt, chrome et molybdène) et céramiques (alumine, zircone et même céramique composite alumine-zircone). Les principales propriétés mécaniques sont données dans le tableau 1 accompagnées des caractéristiques des matériaux naturels.
Grâce à ses bonnes propriétés mécaniques, sa biocompatibilité et son bon comportement au frottement, le polyéthylène à densité ultra haute, un plastique polymère dont l'acronyme UHMWPE provient de l'anglais Ultra High Molecular Weight Polyethylene, est largement utilisé, au côté des alliages CoCrMo et des céramiques (voir ci-après) pour les cupules acétabulaires.
Les têtes fémorales sont fabriquées en acier inoxydable austénitique, ou en un alliage à base de cobalt, chrome et molybdène (CoCrMo) ou en céramique à...
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Les matériaux pour prothèses de hanche
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - ZAMBELLI (G.), VINCENT (L.) - Matériaux et contacts : une approche tribologique, - PPUR (1998).
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(2) - KURTZ (S.M.) - The UHMWPE Handbook : Principles and Clinical Applications in Total Joint Replacement, - Elsevier Academic Press. (2004).
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(4) - BERGMANN (G.), DEURETZBACHER (G.), HELLER (M.), GRAICHEN (F.), ROHLMANN (A.), STRAUSS (J.), et al - Hip contact forces and gait patterns from routine activities. - J Biomech 34, 859–71 (2001).
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(5) - ASM Handbook 18, Friction, lubrication and wear technology, - ASM International (1992).
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(6) - ATHESIAN (G.A.) - The role...
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