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Design d’une prothèse de resurfaçage de hanche en matériau composite biomimétique : mise au point d’outils d’évaluation numérique

Caouette, Christiane (2012). Design d’une prothèse de resurfaçage de hanche en matériau composite biomimétique : mise au point d’outils d’évaluation numérique. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Hip resurfacing arthroplasty (HRA) is proposed as an alternative to total hip arthroplasty for patients suffering from osteoarthritis or degenerative arthrosis. HRA consist in removing the articular surface of the femoral head and replacing it with a spherical metallic implant that has a thin straight stem used as an alignment aid during implantation. HRA cannot be offered to all patients due to surgical contraindications related to bone quality in the femoral head. To overcome some of those problems, it has been suggested in the literature to cement the alignment stem of the femoral component. However, this could generate stress shielding (understressed bone tends to resorb, thus destabilizing the implant and causing aseptic loosening) in the femoral head, which could compromise the implant long term stability.

The use of a biomimetic composite material with bone-matching properties could be a means of using the stem to optimize load transfer to the femoral bone. This optimisation would aim at minimizing stress shielding in the femoral head for an implant with a fixed stem, benefiting from the same stability as cemented stem implants without the increased stress shielding. The current thesis objective was to evaluate this solution by developing a finite element model of a hip resurfacing femoral component with a stem made of biomimetic composite material, and to evaluate its potential in terms of stress shielding reduction and biomechanical performance.

Numerical results from a first study showed reduction of stress shielding for the implant with a fixed biomimetic stem when compared with a cemented metallic stem, but the biomimetic stem was still stress shielded when compared with an unfixed metallic stem or healthy femur. A second study examined modeling methods for bone-cement and bone-implant load-bearing interfaces for different fixation scenarios. It showed that traditional methods (bonded /frictional contact elements) created under certain circumstances unrealistic results such as complete absence of micromotions at bone-stem interface. A new interface element was developed to address some of the limitations observed on traditional interface modeling methods. This new interface element aimed at simulating the progressive degradation of bone-cement interfaces and osseointegration of bone-implant interfaces. Numerical results obtained with the biomimetic implant using the new element showed a partial osseointegration pattern on the stem surface, with the presence of “spot-welds” (localised points of perfect osseointegration).

The new implant with its biomimetic stem allows reduction of stress shielding when compared with current metallic implants. Recommendations following this thesis include optimisation of the geometrical shape of the biomimetic stem, in order to further improve load transfer to the femoral proximal bone.

Titre traduit

Design of a hip resurfacing prosthesis made of biomimetic composite material: development of numerical tools for evaluation

Résumé traduit

L’intervention d’arthroplastie de resurfaçage de la hanche (ARH) est proposée comme alternative à l’arthroplastie totale de la hanche dans le cas de patients souffrant d’ostéoarthrite ou d’arthrose dégénérative. L’ARH consiste à réséquer le cartilage dégénéré de la surface de la tête fémorale pour le remplacer par un implant métallique de forme sphérique muni d’une tige centreuse. La seule fonction de cette tige est d’aider à l’alignement de l’implant lors de l’intervention. Le nombre de patients pouvant bénéficier de cette intervention demeure toutefois limité en raison des nombreuses contre-indications chirurgicales reliées à la qualité osseuse dans la tête fémorale. Pour contrer certains problèmes, il a été suggéré dans la littérature de cimenter la tige des implants, mais cette méthode pourrait engendrer de l’ostéopénie de décharge (aussi appelé stress shielding, l'os sous-contraint a tendance à se résorber, entraînant la déstabilisation de l'implant et le descellement aseptique) dans la tête fémorale, ce qui pourrait compromettre la stabilité à long terme de l’implant.

L’utilisation d’un matériau composite biomimétique dont les propriétés mécaniques sont proches de celles de l’os cortical permettrait de tirer profit de la tige pour optimiser le transfert de charges vers le fémur. Cette optimisation se ferait de manière à minimiser la décharge mécanique dans la tête du fémur tout en ayant une tige fixée, et ainsi de profiter de la stabilité accrue des implants à tige cimentée sans augmenter la décharge mécanique. L’objectif de cette thèse consistait à évaluer le potentiel de cette solution en développant un modèle par éléments finis d’une prothèse de resurfaçage de hanche (PRH) avec tige en composite et d’en évaluer le potentiel en termes de réduction de la décharge mécanique et de performance biomécanique.

Les résultats numériques d’une première étude ont montré une déviation des contraintes moindre pour l’implant à tige biomimétique fixée que pour l’implant à tige métallique cimentée, sans toutefois atteindre le niveau de chargement observé dans l’os sain ou dans l’implant à tige non fixée. Une deuxième étude s’intéressant plus spécifiquement à la méthode de modélisation des interfaces de transfert de charge pour divers scénarios de fixation a permis de montrer que les méthodes traditionnelles (éléments contacts collés / frictionnels) produisaient dans certaines circonstances des résultats irréalistes comme l’absence complète de micromouvements à l’interface frictionnelle de la tige et de l’os. Un nouvel élément interface a été mis au point afin de pallier aux lacunes observées lors de l’étude sur les interfaces traditionnelles et de permettre une modélisation de l’ostéointégration des interfaces os-implant, ainsi que de la dégradation progressive des interfaces os-ciment. Les résultats numériques obtenus pour le modèle d’implant à tige biomimétique utilisant cet élément ont permis de montrer un pattern d’ostéointégration partielle sur la surface de la tige, avec présence de points de soudure (points localisés parfaitement ostéointégrés).

Le nouvel implant avec tige biomimétique a donc permis une réduction de la déviation des contraintes par rapport aux implants métalliques actuels. Les recommandations émises suite aux travaux de cette thèse consistent notamment à optimiser la forme géométrique de la tige biomimétique de l’implant, afin d’améliorer le transfert de charge vers l’os fémoral.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thèse par articles présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie". Bibliogr. : f. [239]-262.
Mots-clés libres: Prothèses de hanche. Chimie biomimétique. matériau composite, éléments finis, resurfaçage de la hanche
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Nuño, Natalia
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Bureau, Martin N.
Vendittoli, Pascal-André
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 21 déc. 2012 15:41
Dernière modification: 02 mars 2017 22:49
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1106

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