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Increasing the performance of total hip replacement prostheses through functionally graded material innovation and design

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Conception de prothèses de hanche assistée par ordinateur

L'allongement de l'espérance de vie, la population de plus en plus active et les progrès scientifiques attisent les exigences concernant le développement de dispositifs biomédicaux nouveaux et plus performants. Face à l'évolution de la technologie, les chercheurs et les fabricants réunis dans le cadre du projet BIOGRAD ont pour lourde tâche d'offrir des biomatériaux alliant qualité élevée et performances tout au long de leur vie.

Technologies industrielles

Le choix de biomatériaux naturels ou synthétiques a permis de remplacer des os et des articulations, une pratique aujourd'hui entrée dans l'usage. Ces prothèses, qui ont permis à des milliers de patients de recouvrer une certaine mobilité et de voir leur souffrance disparaître, continuent toutefois de reposer dans une large mesure sur des matériaux sélectionnés par des méthodes d'ingénierie. De par leur capacité à être tolérées par le corps humain et leurs propriétés mécaniques suffisantes pour résister au stress physiologique anticipé, elles constituent en effet une solution immédiate efficace. Le projet européen BIOGRAD a démontré que l'utilisation de céramique à gradient fonctionnel améliorait les performances à long terme, tout en réduisant le stress lié au remplacement de hanches. Des variations au niveau de la composition, allant d'un noyau dur riche en zircone à une couche superficielle dure d'alumine résistante à l'usure et aux produits chimiques, a permis d'obtenir une combinaison unique de propriétés. L'intérêt que présentent ces matériaux s'explique en grande partie par la dureté et la résistance chimique élevées de l'alumine, qui est pourtant trop fragile pour de nombreuses applications structurelles. De son côté, la zircone est un des matériaux céramiques les plus durs qui soit, mais qui ne conserve pas ses excellentes propriétés mécaniques en présence d'eau et de températures élevées. Pour compenser la tendance des céramiques à présenter une défaillance subite et une déformation plastique locale, des partenaires italiens du projet ont tenté d'identifier le couplage conique optimal entre la tige et la tête fémorale. Des méthodes des éléments finis ont ainsi été utilisées pour étudier les effets de paramètres variables, tels que les propriétés des matériaux et la géométrie de contact, sur l'évolution des contraintes de cisaillement de surface à l'intérieur de la tête fémorale en céramique. Ces analyses numériques intègrent notamment les principes de la mécanique newtonienne, qui sont utilisés pour modéliser et animer le comportement réel de la tête fémorale couplée au composant cotyloïdien prothétique au niveau du pelvis du patient. Des contraintes résiduelles développées en différents endroits de la structure céramique à gradient total ont été introduites dans des processus ultérieurs du meulage et de l'assemblage afin de simuler l'ensemble du cycle de fabrication. Les résultats soulignent l'importance de la fixation entre la tête et la tige en vue de résister au couple qui risque fort d'être transmis par le biais de la prothèse utilisée. Des définitions spécifiques des conditions de fonctionnement des matériaux à gradient fonctionnel contribueront dans le futur au développement de propriétés mécaniques supérieures et de la résistance à l'usure des composants prothétiques.

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