Effets de la présence d'un grillage métallique au sein du ciment de scellement des cupules des prothèses totales de hanche : Etude mécanique et thermique

Presence of a wire mesh in bone cement fixation of acetabular components in total hip arthroplasty : Mechanical and thermal study

• Auteur / Autrice : Dominique Foucat
• Direction : Pierre Mille, François Bonnomet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux et biomécanique
• Date : Soutenance en 2003
• Etablissement(s) : Université Louis Pasteur (Strasbourg) (1971-2008)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biocompatibilité

Implants orthopédiques

Prothèses de hanche

Biomécanique

Mots clés libres

Ciment chirurgical

Résumé

Nous avons étudié les effets thermiques et mécaniques de la présence d'un tissu métallique au sein du ciment de scellement des cupules des prothèses totales de hanche. Cette recherche a pour but de prolonger la durée de vie d'une arthroplastie en améliorant la stabilité des implants acétabulaires cimentés. Par analogie au béton armé, notre étude s'est articulée autour de deux phases : la phase provisoire dont la durée est celle de la reconstruction de l'articulation coxofémorale. Des essais thermiques in vitro réalisés dans des conditions proches de celles fixées par la norme ISO/DIS 5833 ont montré que le volume et la position de l'armature ont un effet statistiquement significatif sur la réduction de la température maximale de polymérisation et sur la limitation du retrait apparent du ciment lors de sa prise. Après avoir caractérisé la topographie de la surface des digitations du ciment dans l'os acétabulaire de deux hémibassins au moyen d'un rugosimètre 3D à microscopie optique confocale, nous avons reproduit la surface osseuse sur le fond d'un moule et celle de la cupule sur l'autre face. Le retrait apparent du ciment coulé dans ce moule est gêné par les digitations et le relief de l'implant. L'ancrage du ciment dans le fond du moule augmente avec la présence d'un grillage placé à proximité de cette interface et avec la section d'armatures ;la phase de service qui est celle de l'utilisation par le patient de la prothèse au cours de sa vie quotidienne. Plusieurs cas de charge (marche, course, montée et descente des escaliers, s'asseoir et se lever d'une chaise) ont été étudiés. La modélisation 3D aux éléments finis réalisée à partir du modèle géométrique de Pedersen et al. A montré que la présence d'un grillage à proximité de l'interface ciment - os est pertinente puisque les contraintes maximales de traction dans le ciment y sont observées. Ces contraintes diminuent avec l'augmentation de la section d'armatures.

We studied thermal and mechanical effects of the presence of a metallic mesh in bone cement fixation of acetabular components in total hip arthroplasty. The aim of this research is to increase total hip prosthesis lifetime by improvement of cemented acetabular implants stability. By analogy with reinforced concrete this study was structured around two stages :a temporary stage which lasts until the end of total joint replacement. In vitro tests conducted in international standard ISO 5833 approaching conditions showed that steel volume and position of a mesh have a statistically significant effect on maximal temperature decrease and apparent shrinkage limitation during cement polymerisation. Surface topography of cement digitations inside acetabular bone of two hemipelves were characterized by confocal optical microscopy. Bone surface was reproduced in a mould bottom and cup surface inside of the mould plunger. Tests showed that digitations and cup relief hampered polymerising cement apparent shrinkage and that bonding between cement and mould bottom increased with the section area of a mesh placed near this interface;a service stage which is the postoperative time when the patient uses his prosthesis during daily activities. Several loading cases (walking, jogging, going upstairs, going downstairs, sitting on a chair, rising from a chair) were studied. A three-dimensional finite element analysis of the acetabular region constructed on the basis of the Pedersen et al. 's geometrical model showed that the presence of a metallic mesh near the bone - cement interface is quite pertinent because maximal tensile stresses are observed in this region. These tensile stresses decrease with mesh section area increase.