Nouveau matériau composite, polymère

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UMR 5146 - PECM
J. Geringer*, **, C. Meunier*, N. Curt* ,
D. Goeuriot*
Nouveau matériau composite, polymère-céramique
Applications aux implants orthopédiques ?
* ENSM: Ecole Nationale Supérieure des Mines-France
** Penn State University-USA
Collaboration avec CHU St-Etienne, Pr. Farizon
Région Rhône-Alpes
Projet Cepoly + partenaires
Plan
Céramiques Médical-25.10.2012
Introduction-contexte
I . L’articulation de la hanche (coxo-fémorale)
 mouvement de la hanche
 cahier des charges d’une PTH
 stress shielding, intérêt d’un nouvel implant
II . Mise en forme µondes
 dispositif expérimental
 qualification des matériaux
III. Tests tribologiques comparatifs
 composite polymère/zircone vs. polymère/fibres de carbone
 effet de la mise en forme
Conclusions
Perspectives
2
1
Enjeux sociétaux-politique de santé
2010
1959
http://www.ined.fr/fr/pop_chiffres/france/structure_population/pyramide_ages/
 Pyramide , 1980  Sapin , 2010  Pyramide renversée, 2040 ?
3
• Remplacement de l’articulation de la hanche
Maladies (congénitales), accidents (route, sport, etc.),
vieillissement (arthrose, etc).
http://migliorelaw.com/dangerous-medical/dupuy-hip
Source New York Times, Sept 2011
• Prothèse totale de hanche : ~ 160000/an en France ; 250000/an aux US
•
1 citoyen américain/30 avec une prothèse
•
$3-4 milliards / year pour chaque continent (US & Europe)
•
Reintervention: patient concerns and economical issues
• 1 implant pour la vie : but ultime
http://www. 600bn.com/?tag=orthopedic-implants
http://www.jofdf.org/article.php3?id_article=709
Durée de vie des implants :
4
1 des enjeux de santé publique des 30 prochaines années
2
Plan
Conclusions
5
Perspectives
Articulation de la hanche
Mouvements de la hanche
www.chirurgie-orthopedie-lille.org
Cours Biomécanique de la hanche, Pr. Versier
6
M-H. Fessy ‘La double mobilité’ Maitrise ortho 152, 2006
 Plan sagittal : flexion (120 °) – extension (15 °)
 Plan frontal : adduction (30 °) - abduction (45 °)
 Plan horizontal : rot int (30 °) – rot ext (60 °)
3
L’articulation de la hanche
7
 Congruence max, séparation pour 22 Kg
 Capsule articulaire et ligaments
(ilio / ischio / pubo-fémoral, résistants et tendus)
 Sablier de la capsule
 Etanchéité de l’articulation
 Liquide synovial, forces d’adhérence dans l’articulation
L’articulation de la hanche
 Articulation profonde
 Atmosphère musculaire
 21 muscles, autant de
moyens pour assurer la
stabilité de l’articulation
et applications contraintes
sur articulation
 Articulation de la hanche : beaucoup d’informations
 Restauration de ‘ces moyens de communication’ après une arthroplastie ??
8
4
Architecture du fémur
 Travées osseuses
entrecroisées
 Continuité des travées osseuses,
entre le bassin et le fémur
 Structure ogivale, ref cathédrale ?
9
Biomécanique de la hanche, balance de Pauwels
Pauwels F. Gesammelte Abhandlungen Zur Funktionellen Anatomie Des Bewegungsapparates. Berlin: Springer-Verlag; 1965.
 3 à 6 fois le poids du corps lors de la marche, appui monopodal
 Contraintes élevées sur articulation ‘normale’ mais système optimisé
10  Equilibre fragile, pbs si pathologie dégénérative (arthrose) ou obésité
5
Prothèse totale de hanche
Acetabulum-bassin
Fémur
Tige fémorale Cupule Metal back
Geringer et al., Wear 2011
B. Boyer, PhD ENSM-SE, en cours
J. Hausselle, PhD ENSM-SE, 2007
11
*
L. Lhotellier, http://www.hopital-dcss.org/actes/pth.htm
Cahier des charges
 Biocompatibilité des matériaux implantés ainsi que les débris
 Contraintes env. 4 fois le poids du corps
12  Restauration de l’articulation, courbe de circumduction
6
Stress shielding
Force normale
28 mm
L’insertion d’une prothèse rigidifie l’os,
différence de propriétés mécaniques
entre une tige métallique et l’os, jusqu’à
un facteur 100 entre os spongieux et
alliage 316L (module d’élasticité).
 Reconstruction osseuse : action mécanique
13 nécessaire sur cellules osseuses
Stress shielding
Tests traction-compression
1000
traction
Prothèse PEKK moyenne
Os non prothésé
Déformation (µm/m)
500
Prothèse Ti-6Al-4V
0
0
-500
-1000
1
2
3
4
5
6
Jauges de déformation
compression
1 : Icomp
2 : IIcomp
3 : IIIcomp
4 : Iext
5 : IIext
6 : IIIext
-1500
14
 PEKK et os naturel : mêmes déformations,
 Meilleur pour reconstruction osseuse, cellules ‘activées’
7
Problématique mécanique
15
E / GPa
Coefficient de
Poisson ν
Masse
volumique /
g.cm-3
Limité
d’élasticité /
MPa
PEKK+CF
30%
PEKK
Zircone
28,0
0,30
1,40
3,5-4,5 (3,8)
200
0,35
0,35
1,30
6,90
110
2000
UHMWPE
0,2-1,2 (1,0)
0,46
0,94
Co-Cr
230
0,30
8,50
316L
190-210 (200)
0,30
8,20
Ti-6Al-4V
106-114 (110)
0,31
4,00
20-45 (42)
800-2200
(2000)
500-1500
(1500)
500-1500
(1500)
210-250 (220)
 PEKK ou PEEK: pas optimal pour une prothèse totale de hanche, tige
 Intérêt des composites, polymère + charges céramiques
Plan
Conclusions
Perspectives
16
8
Mise en forme µondes
Intérêt d’un nouveau composite pour PTH :
 stress shielding

 non toxicité

Challenges :
Trouver des alternatives aux mises en forme classiques

 Mise en forme par µondes

Compaction grandes vitesses
, principe non détaillé
17
• Utilisations ‘classique’ et ‘répandue’ des µondes pour le quotidien
 Le four µondes : le sauveur des petits déjeuners et des repas en famille du
dimanche soir…
• 1 champ électromagnétique oscillant
• Des fréquences proches de la radio : peu dangereux comparativement aux rayons 
UV
Vis
µondes
E (kcal)
102
10-0
10-2
10-4
10-6
Fréquence (Hz)
1015
1013
1011
109
107
•1 dipôle électrique = oscillation  Energie
18
Mémoire CNAM, C. Meunier 2012
9
Optimisation MO
Frittage micro-ondes
Préparation
des échantillons
Dureté
Méthodes de
caractérisation
Moyenne
des duretés
Validation
Compounds
bruts
Polissage
Spectro IR
DSC
Rapport
d’absorbance
de 2 pics
choisis
Détermination
des Tg et Tf
Ajustement
des paramètres
de frittage
micro-ondes
Comparaison avec des matériaux de référence
Pas OK
OK
 Expériences : œuf cru dans four µondes, contrôle extrêmement difficile
 Itérations : taille, forme, position, atmosphère échantillons; temps de ‘cuisson’
19  Moyens de contrôle : validation ou non.
• four µondes + pyromètre + caméra CCD
• contrôle température
• Moule en pyrex (échantillon)
• Amélioration du dispositif + procédés + résultats matériaux
20
20
10
-
Réalisation d’échantillons pour analyse, avec nouveau creuset (9 pastilles)
-
Paramètres variant : atmosphère, composition
Atmosphère
PEKK pur
Azote
Azote
PEKK/ZrO2
(85/15)



P
incidente
(W)
Air
800
Temps
cycle
Température
max (°C)
8’30
400
9’10
390
8’24
385
Remarques
Refroidissement pendant 5’ dans
le creuset
Bonne reproductibilité
Amélioration de l’homogénéité du traitement
Analyses : mesures dureté, observation microstructurale, tribologie
Précédents traitements PEKK/ZrO2 (sous
air)
21
PEKK/ZrO2
(sous azote)
PEKK (sous
azote)
21
Qualification des matériaux, DSC
Differential Scanning Calorimetry
• DSC : Differential Scanning Calorimetry
• Principe
• Creusets référence + référence-matériau (20 mg)
Flux d’énergie par transfert thermique # T
22/23
http://las.perkinelmer.com/content/RelatedMaterials/Brochures/BRO_DSCFamilyBrochure.pdf
22
11
Cycle thermique appliqué :
(sous azote)
390°C
10°C/min
390 °C
10°C/min
20°C
15
20°C
20°C
PEKK/ZrO2 (85/15) CGV, 2 aller-retour
PEKK85-15 CGV 2 A/R N1 corr A1
PEKK85-15 CGV 2 A/R N1 corr R1
PEKK85-15 CGV 2 A/R N1 corr A2
PEKK85-15 CGV 2 A/R N1 corr R2
10
Heat Flow (mW)
10°C/min
10°C/min
5
Exothermique
0
0
50
100
150
200
250
300
350
400
-5
-10
Endothermique
Température (°C)
-15
23
23
 Résultats
 Tf déterminée au 2ème passage
Tg
N1
PEKK pur
PEKK85/15 Turbula
N2
N3
Tf
Moyenne
165,62
171,73
175,6
Tg
171,21
172,61
176,31
174,31
155 175,021
°C environ.
PEKK85/15 Flex
175,01
Ecart-type N1
171,0
5,0
363,28
N2
N3
363,95
Moyenne
Ecart-type
362,95
363,4
0,5
173,4
2,6
363,51
363,9
363,9
363,8
0,2
174,8
0,4
366,97
366,29
366,56
366,6
0,3
PEKK85/15 CGV
177,03
176,86
175,28
176,4
1,0
365,65
366,28
367,39
366,4
0,9
PEKK85/15 µondes
180,4
177,47
174,68
177,5
2,9
364,05
364,35
365,33
364,6
0,7
PEKK85/15 classique
174,91
177,03
175,77
175,9
1,1
365,61
367,02
363,71
365,4
1,7
 Données PEKK + CF (OPM) : 360 °C Tf, 163 °C Tg
 Pas de modification sur la Tg et la Tf des technologies de mise en forme
 Pic de cristallisation visible uniquement sur Flex (1er aller)
24
24
12
Qualification des matériaux, FTIR
PEKK, monomère
ATR FT-IR, principes physiques
Elongation
symétrique
antisymétrique
Déformation
+
• Spectre 400-4000 cm-1, IR
• Vibration des liaisons chimiques
-
balancement
cisaillement
+
torsion
rotation plane
25/23
25
Qualification des matériaux, FT‐IR
échantillon
ATR FT-IR, appareillage
14
12
15
13
2
cristal diamant
détecteur
3
miroir
miroir
source
4
1
16
5
11
6
• ATR, réflexions multiples (différence
indices de réfraction), cristal-échantillon
7
8
9
10
1
2
3
4
5
6
7
8
:
:
:
:
:
:
:
:
cristal ATR
lentille
support de la lentille
tige de la lentille
vis de fixation de la lentille
support du miroir
vis de réglage de l’inclinaison
vis de réglage de la rotation
9 : miroir double
10 : canules de purge
11 : ouverture
12 : enclume de compression
13 : adaptateur pour clé
dynamométrique
14 : molette de friction
15 : vis de fermeture
16 : système de retenu de pont
26
13
Qualification des matériaux, FT-IR
Objectif : voir si le traitement MO ne dégrade pas le matériau
-utilisation de marqueurs précédemment défini
-3 échantillons
0.5
0.45
9
0.4
8
0.35
Rapport Absorbance
Rapport Absorbance
10
7
A2925/A1114
A2925/A840
A2925/A1240
6
5
4
3
0.3
0.25
Air
0.2
N2
0.15
2
0.1
1
0.05
0
A2925/A1114
A2925/A840
A2925/A1240
0
PEKK cru
PEKK Zr PEKK Zr PEKK Zr
air µondes air µondes air µondes
1
2
3
PEKK
brûlé
100928
PEKK
brûlé
100929
PEKK Zr PEKK Zr PEKK N2
air µondes N2 µondes µondes
230301
230306
280301
PEKK cru
Type PEKK
PEKK Zr PEKK Zr PEKK Zr
air µondes air µondes air µondes
3
2
1
PEKK
brûlé
100928
PEKK
brûlé
100929
PEKK Zr PEKK Zr PEKK N2
air µondes N2 µondes µondes
280301
230306
230301
Type PEKK
 Pas de dégradation après traitement MO
27
 l’Azote améliore légèrement le traitement MO, rapport légèrement plus faible
Qualification des matériaux
Tribologie
Frottement pion (bille alumine)-disque (composite)
• Mouvement circulaire continu
• Pion : bille alumine, r = 5 mm, Ra ~ 0,05 µm
• Disque, r = 10 mm
PEKK + PEKK + ZrO2 3Y 15 % (partenaire Metoxit® )
•
•
•
•
•
Temps : 5h00
Fréquence : 1Hz
Diamètre de trace : ~10 mm
Vitesse : 115 m/h
Rayon de contact : 0,13~0,38 mm
•
Force normale 31 N, Pression moyenne ≈ 150 MPa
•
Solution sérum bovin dilué 17,5 g.L‐1, 25 % (norme ISO 14232)
•
Température ambiante (possible 37 °C)
28/23
28
14
Tribologie
Profilomètre Veeco NT9100, Bruker NanoscopeTM
Images zone usée
Zone usée PEKK
Zone usée PEKK+ ZrO2 7Y 15 %
‐2 µm
‐2 µm
Zone usée PEKK+ ZrO2 3Y 15 %
‐3 µm
‐2 µm
29/23
29
Tribologie
Taux d'usure des différents matériaux contre alumine
Taux d'usure en mm3.m‐1.N‐1
1.E‐04
1.E‐05
1.E‐06
1.E‐07
PEKK
PEKK/Zircone PEKK/Zircone PEKK/Zircone PEKK pur CGV PEKK/Zircone PEKK pur sous PEKK Zircone PEKK Zircone PEKK Zircone PEKK injecté +
non broy
prd broy
CGV
Azote
sous Azote
sous Air
injecté
CF
Matériau
 Injection et CGV, plus faible taux d’usure
30
15
Tribologie
Comparatif du rapport coefficient de frottement / taux d'usure 0.12
PEKK
0.11
Coefficient de frottement
PEKK/Zircone
PEKK/Zircone non broy
0.1
PEKK/Zircone prd broy
PEKK pur CGV
0.09
PEKK/Zircone CGV
PEKK pur sous Azote
0.08
PEKK Zircone sous Azote
PEKK Zircone sous Air
0.07
PEKK Zircone injecté
PEKK injecté + CF
0.06
0.05
1.E‐07
1.E‐06
1.E‐05
1.E‐04
Taux d'usure mm3.m‐1.N‐1
 Injection > CGV > µondes
 PEKK + CF reste supérieur
31
Tribologie
• PEKK Correlation in the end
µ
 classique
Coefficent of friction
0.16
PEKK CF
PEKK
0.14
PEEK
0.12
• PEKK + ZrO2 3Y µondes
UHMWPE
0.10
CoCr
316L
TA6V
0.08
• PEKK + ZrO2 classique
0.06
0.04
1.0E‐07
• PEKK + ZrO2 3Y CGV
1.0E‐06
1.0E‐05
3
‐1
1.0E‐04
‐1
Disc wear rate / mm .N .m
 composite µondes meilleur que UHMWPE, intérêt pour la CGV
32
16
Conclusion / Perspectives
Conclusion
 Nécessité de nouveaux matériaux pour les prothèses de hanche
 Matériaux composites au plus proche des propriétés de celles de l’os
 Nouveaux moyens de mise en forme disponibles
 Maîtrise du process µondes pour composites; CGV, caractéristiques intéressantes
Perspectives
 Optimisation des procédés
 Fabrication d’un élément prothétique et comparaison avec les gold
standards
 De nombreuses applications possibles dans le dentaire par exemple.
33
Merci de votre attention
17

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