Etude de la dégradation par chocs de têtes et cupules de prothèses de hanche en biocéramique

Study of shock induced damages on bioceramics heads and cups of hip prostheses

• Auteur / Autrice : Jérôme Hausselle
• Direction : Bernard Forest
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science et Génie des Matériaux
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Saint-Etienne, EMSE

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Rupture, Mécanique de la

Choc (mécanique)

Matériaux céramiques

Prothèses de hanche

Résumé

Les céramiques, présentant une combinaison unique de biocompatibilité, de légèreté, et de résistance à l'usure, sont d'excellents candidats pour les applications orthopédiques, et notamment les prothèses de hanche. Néanmoins, du fait de leur fragilité intrinsèque, ces biocéramiques sont particulièrement sensibles à la microfissuration suite à des chocs mécaniques répétés. Le phénomène de décoaptation, définissant la séparation de la tête et de la cupule, a été mis en évidence in vivo, et le choc mécanique en résultant peut donc fortement augmenter les risques de rupture des éléments constitutifs de la prothèse. Des essais réalisés à l'aide d'une machine de chocs originale ont permis de confirmer la formation de bandes d'usure au niveau de la tête et de la cupule, ce qui a vraisemblablement entraîné les ruptures des cupules, qu'elles soient en alumine ou en zircone. De plus, ces résultats ont conduit à émettre l'hypothèse de l'existence de rebonds de la tête dans la cupule, générant donc de multiples impacts secondaires. La dispersion des résultats ne permet pas de comparer avec certitude les durées de vie respectives des deux biocéramiques, néanmoins, des mécanismes d'usure et de rupture ont pu été proposés. En parallèle, un modèle a été développé, combinant simulations par éléments finis et simulation de croissance de défauts, afin de calculer des probabilités de rupture et de comparer les durées de vie théoriques obtenues avec les résultats expérimentaux. Le but est d'obtenir un modèle fiable afin d'étudier l'influence d'autres paramètres sur la durée de vie de la prothèse, comme par exemple l'orientation des cupules. Bien que d'autres aspects restent à développer, en particulier la prise en compte de l'érosion, ces simulations ont donné des durées de vie conformes à celles obtenues expérimentalement, ce qui a permis de mettre en évidence le rôle prépondérant de l'orientation de la cupule. Cette étude originale, étant donné que peu de recherches avaient été menées à ce sujet auparavant, doit être complétée par un plus grand nombre d'essais, afin de confirmer les tendances observées et les hypothèses émises.

Ceramics, with their unique properties of biocompatibility, ligthness and wear resistance, are often used for orthopaedics applications, including hip prostheses. Nevertheless, due to their brittleness, these bioceramics can exhibit microfractures caused by repeated mechanical shocks. Microseparation between the head and the cup, which has been showed to occur in vivo, leads to mechanical shocks that can enhance fracture risk of the different elements of the prosthesis. Using a unique shock machine, tests have shown that worn bands appear on the head and the cup, which probably caused the breaking of the cups, whether these were in alumina or zirconia. Moreover, potential rebounds of the head in the cup have been assessed, implying several secondary shocks. The lifetimes of the two bioceramics could not be compared clearly because of the rather important scattering of the results, but wear and rupture mechanisms have been identified for both of them. An original model has also been developed, combining finite element modeling and flaws growth simulations, in order to calculate failure probabilities and to compare theoretical lifetimes with experimental ones. The goal was to obtain a reliable model allowing us to study the influence of several parameters on the lifetime of the prostheses, like the cup angle for example. Even if further improvements are needed concerning wear simulation, the theoretical lifetimes calculated with this model were close enough to the experimental ones, which allowed us to determine that the cup angle seemed to have a rather important influence. Few researches have been made concerning this topic, therefore, more experimental tests have to be done to confirm the results obtained and the hypotheses introduced during this study.