Analyse multi-échelle de la durabilité des biocéramiques pour prothèses de hanche. Études in vitro et ex vivo.

by Juliana Uribe Perez

Doctoral thesis in Science et Génie des Matériaux

Under the supervision of Bernard Forest.

defended on 19-01-2012

in Saint-Etienne, EMSE , under the authority of ED SIS 488 .

Thesis committee President: Philippe Kapsa.

Thesis committee members: Bernard Forest, Philippe Kapsa, Caroline Richard, Patrick Chabrand, Laurent Gremillard, Jean-Luc Aurelle.

Examiners: Caroline Richard, Patrick Chabrand.

  • Alternative Title

    Multiscale analysis of bioceramics behavior for hip replacement. In vitro and ex vivo cases.


  • Abstract

    Because of the excellent biocompatibility and great mechanical properties, bioceramics are the best choice for total hip replacement (THR). When hip is replaced, a microseparation could appear between the head and the cup leading to a shock limiting the lifetime of ceramics. Classic tests on hip simulator partly allow estimating the lifetime of ceramics.Ceramics materials are subjected to shocks. In this work we evaluated the reliability of bioceramics for hip replacement tested in a shock machine. Two bearing surfaces were studied (head/cup): alumina/alumina and composite alumina-zirconia/alumina. Tests were carried out in dry and in solution with an inclination of 45° to respect the standard anatomical position. Femoral heads exhibited two wear stripes of similar location and roughness to those found ex vivo. Shock device reproduces in vivo degradation. The influence of aging on the shocks degradation was also studied for composites alumina-zirconia. Artificial ageing did not affect the shock-induced wear resistance. Further analysis of retrieved composite would be interesting for comparison of experimental results.Also, ex vivo analyses were made. A large number of retrieved zirconia femoral heads were analyzed in order to understand the phase transformation of zirconia in vivo. Any correlation between the phase transformation and the increase in roughness was found. We might suggest that phase transformation is activated during the fabrication process (sintering, polishing, machining) and is not accelerated in vivo.


  • Abstract

    L’excellente biocompatibilité et les remarquables propriétés mécaniques font des biocéramiques une des meilleures options pour les prothèses totales de hanche (PTH). Jusqu’à récemment, le seul dispositif qui permettait d’estimer la durée de vie des PTH était le simulateur de marche. Les PTH ne sont pas uniquement sollicitées en fatigue mais aussi en chocs. Dans ce travail nous avons évalué la durabilité des prothèses de hanche en biocéramique testées sur une machine de chocs. Deux couples tête/cupule ont été testés : alumine/alumine et composite alumine-zircone/alumine. Les essais se sont déroulés à sec et en solution avec une inclinaison de 45° qui correspond à la position anatomique standard de cette articulation. Des bandes d’usure apparaissent sur la tête. Leur localisation et leur rugosité sont similaires à celles retrouvées ex vivo. La machine de chocs reproduit les mécanismes de dégradation des PTH in vivo. L’influence du vieillissement sur la résistance aux chocs a été étudiée. Afin de mieux comprendre la transformation de phase in vivo de la zircone, une grande série d’explants a été analysée. Aucune corrélation entre la transformation de phase et l’augmentation de la rugosité n’a été observée. La transformation de phase de la zircone serait liée aux processus de fabrication (polissage, usinage..). Ce travail constitue une base de données pour les couples zircone/UHMWPE. De la même façon, l’analyse d’explants composites permettrait de valider nos résultats in vitro pour les composites.


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