Etude de l’endommagement des ciments chirurgicaux sous chargement de fatigue

Abstract

الملخص (بالعربية) : تعتبر دراسة سلوك الأطراف الاصطناعية وأدائها تحديًا كبيرًا وتتطلب دراسات حول سلوك الواجهة بين مكونات المواد الحيوية المختلفة. يؤدي وضع طرف صناعي كامل للورك ليحل محل المفصل إلى تعطيل نظام الضغوط الميكانيكية. وهكذا يخضع العظم لبيئة ميكانيكية جديدة تؤدي محليًا إلى اختلافات في مجالات الإجهاد ، مما يزعج إعادة تشكيل العظام. يهدف هذا العمل إلى تقييم الضغط الموزع في المكونات الاصطناعية الناتجة عن تطبيق الأحمال الديناميكية لأنماط الضغط الثلاثة (المشي، نزول السلالم و صعودها) بعد زرع مفصل الورك المُثبتة بواسطة حساب العناصر ثلاثية الأبعاد، تقييم تأثير اضطراب مناطق الإجهاد في عظم الفخذ ومنع خطر ارتخاء الطرف الاصطناعي بعد ظهور عيوب مثل وجود تجاويف في الأسمنت. تظهر النتائج أنه بناءً على توزيع الإجهاد التي تم الحصول عليها، يحدث حماية من الإجهاد في الجزء السفلي من عظم الفخذ. يؤدي تركيز الضغط في عظم الفخذ الأمامي والخلفي إلى انحراف القوة على حساب المناطق العلوية التي تشهد انخفاضًا كبيرًا في الإجهاد يتسبب تأثير الحمل الديناميكي على الطرف الاصطناعي في ظهور مناطق ممزقة حول التجويف عندما يكون حجمها كبيرًا (قطر 0.3≤ مم). يبدأ الانفصال بالقرب من التجويف، ثم ينتشر عن طريق التعب في تجاه الأجزاء الأخرى من الأسمنت حتى يتسبب في ارتخاء كامل للطرف الاصطناعي. يمكن أن تقدم هذه الدراسة معلومات مهمة للجراح الذي تم استدعاؤه لاستخدام نظام خلط أسمنت مناسب لتقليل المسامات وبالتالي ضمان الاستقرار للزرع على المدى الطويل.

الكلمات المفتاحية : مجموع مفصل الورك ، عناصر محدودة ، تجويف ، إجهاد رئيسي ، إجهاد مكافئ، الجذع الفخذي، اسمنت العظام، الارتخاء ------------------------------------------ Résumé (en Français) :

Etudier le comportement des prothèses et leurs performances est un pari majeur et nécessite des études sur le comportement de l’interface entre les différents composants biomatériaux. La mise en place d'une prothèse totale de hanche pour remplacer l'articulation, perturbe le régime des sollicitations mécaniques. Ainsi l'os est soumis à un nouvel environnement mécanique qui se traduit localement par des variations de champs de contraintes perturbants ainsi le remodelage osseux. Ce travail vise à évaluer par le calcul éléments finis 3D la distribution des contraintes dans les composants prothétiques résultant de l’application de charges dynamiques des trois modes de sollicitations (marche, descente et montée des escaliers) après l’implantation d’une PTH cimentée, apprécier l'influence de la perturbation des zones de sollicitations dans le fémur et prévenir les risques de descellement de la prothèse suite à l’apparition de défauts tels que la présence de cavités dans le ciment. Les résultats montrent que selon les distributions de contraintes obtenues, un stress shielding se produit dans la partie distale du fémur. La concentration de contraintes en antérieure et postérieure du fémur fait dévier l'effort au détriment des régions supérieures qui elles éprouvent une diminution non négligeable de la sollicitation. L’effet des charges dynamiques sur la prothèse fait apparaitre des micro-zones de rupture aux alentours de la cavité lorsque sa taille est importante (D≥0.3 mm). Le décollement s’initie au voisinage de la cavité, ensuite il se propage par fatigue vers la partie distale du ciment jusqu'au provoquer le descellement total de la prothèse. Cette étude peut fournir des enseignements importants au chirurgien qui est appelé à utiliser un système de mélange de ciment adéquat de façon à réduire la porosité et ainsi garantir à long terme la stabilité de l'implant. Les mots clés : Prothèse totale de hanche, éléments finis, cavité, contrainte principale, contrainte de Von Mises, implant, ciment orthopédique, descellement. ---------------------------------------- Abstract (en Anglais) : Studying the behavior of prostheses and their performance is a major challenge and requires studies on the behavior of the interface between the different biomaterial components. The placement of a total hip prosthesis to replace the joint disrupts the regime of mechanical stresses. Thus the bone is subjected to a new mechanical environment which results locally in variations in stress fields, thus disturbing bone remodeling. This work aims to assess by finite element calculation the stress distribution in prosthetic components resulting from the application of dynamic loads of the three stress modes (walking, descending and climbing stairs) after the implantation of a cemented THA, assess the influence of the disturbance of stress areas in the femur and prevent the risk of loosening of the prosthesis following the appearance of defects such as the presence of cavities in the cement. The results show that depending on the stress distributions obtained, stress shielding occurs in the distal part of the femur. The concentration of stresses in the anterior and posterior femur deflects the force to the detriment of the upper regions which experience a significant reduction in stress. The effect of dynamic loads on the prosthesis causes micro-zones of rupture to appear around the cavity when its size is large (D≥0.3 mm). Detachment begins in the vicinity of the cavity, then it spreads by fatigue towards the distal part of the cement until it causes complete loosening of the prosthesis. This study can provide important lessons to the surgeon who is called upon to use an adequate cement mixing system in order to reduce the porosity and thus guarantee the long term stability of the implant.

Keywords: Total hip prosthesis, finite elements, cavity, principal stress, Von Mises stress, implant, orthopedic cement, loosening