Rôle de la force ionique, de l'albumine et du pH sur la dégradation par fretting-corrosion d'un contact acier inoxydable/PMMA. Application aux implants orthopédiques.

par Julie Pellier

Thèse de doctorat en Science et Génie des Matériaux

Sous la direction de Bernard Forest.

Soutenue le 17-01-2012

à Saint-Etienne, EMSE , dans le cadre de ED SIS 488 , en partenariat avec Département Biomécanique et Biomatériaux (laboratoire) et de Centre Ingénierie et Santé (laboratoire) .

Le président du jury était Frédéric Farizon.

Le jury était composé de Bernard Forest, Frédéric Farizon, Stefano Mischler, Bernard Normand, Pierre Combrade, Jean Geringer, Jean-Pierre Celis.

Les rapporteurs étaient Stefano Mischler, Bernard Normand.


  • Résumé

    La dégradation par fretting-corrosion des prothèses de hanche cimentées est l’une des principales causes de réintervention chirurgicale. L’étude du fretting-corrosion est effectuée entre un acier inoxydable 316L, matériau utilisé pour les tiges fémorales, et un polymère PMMA, matériau modèle du ciment chirurgical, dans différentes solutions, plus ou moins proches du liquide physiologique.L’étude a d'abord été réalisée à potentiel libre (OCP) pour être proche des conditions in vivo. L’influence des chlorures et le rôle de l’albumine, principale protéine du liquide physiologique, sur la dégradation du 316L et de sa couche passive sont ainsi évalués.Pour pouvoir obtenir des informations sur le courant de corrosion, des essais sont effectués à potentiel imposé. Le potentiel choisi est proche de la valeur de potentiel pendant fretting : E = -400 mV(ECS). Ce potentiel permet d’observer la transition entre courant cathodique et courant anodique en fonction de la force ionique. Lors d’un essai de fretting-corrosion, l’albumine joue le rôle d’inhibiteur de corrosion.La dégradation du 316L par fretting-corrosion est une combinaison entre l’usure corrosive, due au milieu physiologique contenant des chlorures, et l’usure mécanique. Il existe un terme de synergie entre usures corrosive et mécanique. L’influence de la force ionique et de l’albumine sur ce terme de synergie est aussi quantifiée.La forme de la trace d’usure en “W”, caractéristique du fretting-corrosion, est due à un gradient de pH et à un mécanisme de corrosion proche de la corrosion caverneuse. Une étude à pH global imposé a permis d’estimer les valeurs probables de pH dans et à une courte distance de la zone d’usure.

  • Titre traduit

    Role of the ionic strength, albumin and pH on the degradation by fretting-corrosion of a stainless steel/PMMA contact. Application to orthopedic implants.


  • Résumé

    In case of total hip joint cemented prosthesis, one of the most important causes of reintervention is the degradation induced by fretting-corrosion. The study of fretting-corrosion mechanism is conducted between a 316L stainless steel, the same material as the femoral stem, and a polymer PMMA, a model material for bone cement, in several solutions, more or less close to physiological liquid.First, the study was investigated at Open Circuit Potential (OCP), to be close to the in vivo conditions. The influence of chlorides and the role of albumin, the principal protein in the physiological liquid, on the 316L and its passive layer degradation are evaluated.To obtain some information on corrosion current, experiments are investigated at applied potential. The chosen potential is close to the value of the potential during fretting: E = -400 mV(SCE). Besides, this potential is a threshold potential for anodic and cathodic transition of current as a function of ionic strength. One of the key points is the role of albumin as a corrosion inhibitor in the degradation by fretting-corrosion.The 316L degradation by fretting-corrosion is a combination between corrosive wear, due to the physiological liquid which contains chlorides, and mechanical wear. There is a synergy term between corrosive and mechanical wears. The influence of ionic strength and albumin concentration on this synergy term is also quantified.The shape of the worn area in “W”, typical of fretting-corrosion, is due to a pH gradient and a corrosion mechanism close to crevice corrosion. A study where the global pH of the solution is fixed allows estimating values of pH in and at a short distance from the worn area.


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