L'arthroplastie de la hanche, communément appelée remplacement total de la hanche (THR), est l'une des interventions chirurgicales les plus réussies en orthopédie, qui rétablit la mobilité sans douleur de millions de patients dans le monde entier. La performance à long terme d'une prothèse de hanche est le comportement mécanique de la composante de la tête fémorale, la balle qui s'articule dans la coupe acétabulaire. La tête fémorale doit supporter des charges répétitives et de grande magnitude – dépassant trois fois le poids corporel pendant la marche normale et jusqu'à sept fois pendant l'escalade ou la course de l'escalier – sans fracturation, port excessif ou réaction négative aux tissus.

Aperçu des composants de tête fémorale

La composante fémorale de la tête forme la surface convexe, sphérique de roulement de l'articulation de la hanche. Elle est fixée modulairement à la tige fémorale par une touche Morse (généralement une connexion conique), permettant aux chirurgiens de mélanger et de jumeler la taille de la tête, le matériau et la longueur du cou par voie intraopératoire.

Matériaux couramment utilisés

  • alliages de cobalt-chromium (CoCr) : Le roulement métallique le plus traditionnel, offrant une résistance élevée à la résistance, à la dureté et à la fatigue. Cependant, les roulements métalliques sur métaux sont tombés de la faveur en raison des réactions négatives des tissus locaux à l'usure des débris métalliques.
  • Céramique (alumina, zircone ou composite):[ Connu pour sa dureté exceptionnelle, sa résistance aux rayures et son faible taux d'usure. Les roulements céramiques sur céramique et céramiques sur polyéthylène produisent des débris minimes, mais les céramiques sont fragiles et présentent un risque de fracture catastrophique.
  • Zirconium oxydé (OxiniumTM):[ Un substrat métallique (alliage de zirconium) avec une surface oxydée de type céramique, combinant la ténacité du métal et la résistance à l'usure de la céramique. Il est moins sensible à la rupture fragile que la céramique pleine.
  • Pethylene fortement lié(HXLPE):[ Utilisé principalement comme doublure acétabulaire, mais certaines têtes fémorales intègrent du polyéthylène lié croisé sur un support métallique, même si cela est moins fréquent. HXLPE réduit considérablement l'usure par rapport au polyéthylène conventionnel.

Les couples portants et leur importance

Le choix de la tête fémorale et son accouplement avec la doublure acétabulaire définissent le couple de roulement. Les couples comme la céramique sur céramique offrent une usure extrêmement faible (0,01 mm3/an) mais nécessitent un positionnement précis des composants pour éviter la charge de bord. Le métal sur polyéthylène reste la combinaison la plus largement utilisée au monde en raison de sa nature indulgente et de son long bilan clinique, tandis que la céramique sur polyéthylène réduit encore l'usure en présentant une contreface lisse et dure à la doublure.

Propriétés mécaniques clés

Les propriétés suivantes sont essentielles à la performance des composants fémoraux de la tête dans des conditions in vivo:

Résistance à la fatigue et résistance à la fatigue

La résistance à la fatigue est particulièrement importante car la tête subit des millions de cycles de charge par an; tout défaut ou irrégularité de surface peut déclencher une fissure qui se propage au fil du temps. La céramique a une très haute résistance à la compression mais une faible résistance à la traction, ce qui la rend susceptible de se fracturer si elle est soumise à des contraintes de traction (p. ex., par le chargement des bords ou par un mauvais ajustement de la bande).

Résistance au port

L'usure est le mode de rupture à long terme dominant de l'arthroplastie de la hanche, en particulier pour les doublures en polyéthylène. La dureté de la surface et la finition de la tête fémorale affectent directement le taux d'usure du roulement adverse. Une tête plus lisse (par exemple, la céramique avec rugosité de la surface < 5 nm) génère moins d'usure abrasive.

Résistance à la dureté et à la racaille

Pour les têtes céramiques, la dureté est comprise entre 1 200 et 1 800 HV (Vickers), contre ~ 400 HV pour CoCr. La déchirure de la tête fémorale, que ce soit lors de l'insertion, à partir de particules du tiers corps ou de dommages aux instruments, crée des aspérités qui accélèrent l'usure du polyéthylène.

Toux et fracture Toux

La ténacité indique une capacité d'absorption d'énergie avant la rupture. Les têtes fémorales métalliques sont extrêmement résistantes (peut déformer la matière plastique avant la rupture), alors que les céramiques ont une faible ténacité (~4 MPa √m pour l'alumine). Cela rend les céramiques vulnérables à une fracture catastrophique si elles sont touchées ou soumises à des contraintes de traction élevées – une complication rare mais dévastatrice.

Modulus d'élasticité et de rigidité

Le module élastique dicte la quantité de déformation de la tête sous charge. Les têtes métalliques ont un module d'environ 210 GPa (CoCr) tandis que les céramiques sont de 350 à 400 GPa. Une tête plus rigide subit une déformation moins élastique, conservant la sphéricité et réduisant la charge des bords sur la doublure.

Facteurs influençant le comportement mécanique

Choix des matériaux et microstructure

La composition et le traitement du matériau fémoral de la tête affectent profondément les performances mécaniques. Par exemple, la granulométrie en céramique, qui est généralement < 2 μm, augmente la résistance et réduit l'usure. Les alliages métalliques peuvent être forgés ou moulés; le CoCr forgé a des grains plus fins et une résistance à la fatigue plus élevée que le matériau moulé.

Géométrie de conception: Taille de la tête et Offset

Les têtes fémorales de plus grand diamètre (≥36 mm) offrent un arc d'articulation plus grand, améliorant la portée du mouvement et réduisant le risque de dislocation, surtout pour les patients plus jeunes et plus actifs. Cependant, une augmentation de la taille de la tête augmente le couple de frottement à la surface du roulement et au raccordement de la tête de tige. Ce couple doit être résisté par le mécanisme de verrouillage de la tête de tige; un couple excessif peut entraîner une corrosion de la tête de la tête de la tête de tige (tronnionose).

Toxicité et lubrification de surface

La finition de la surface fémorale influence directement le comportement tribologique. Dans un joint sain, la lubrification par film fluide sépare les surfaces de roulement. Une rugosité idéale de la surface de la tête Ra < 0,05 μm aide à maintenir la lubrification élastohydrodynamique. Le durcissement de la tête, des lésions chirurgicales, des particules du tiers corps ou de la corrosion, perturbe ce film, ce qui entraîne des régimes de lubrification mixtes ou limites où le contact avec l'aspérité augmente la friction et l'usure.

Alignement et positionnement de l'implant

L'orientation acétabulaire anormale (antériversion ou inclinaison excessive) conduit à la charge de la tête fémorale contre le bord de la doublure. Cela génère des contraintes de contact point qui peuvent causer une fracture céramique, une usure accélérée du polyéthylène ou une imperméabilisation métal-on-métal. De même, le placement du varus ou du valgus dans la tige fémorale affecte la direction de la force de réaction articulaire qui en résulte à travers la tête.

Indice de niveau d'activité et de masse corporelle (IMC)

Les coureurs de marathon, les jeunes travailleurs et les athlètes placent les demandes bien au-delà de l'ambulation communautaire moyenne. De plus, l'IMC élevée augmente les forces articulaires de pointe. Une étude de Lübbeke et al. (Regardez les données) a révélé que les patients atteints d'IMC > 30 présentaient un risque 1,5 fois plus élevé de révision en raison de l'usure ou du desserrement.

Défaillances mécaniques et leurs causes

Fracture de l'élément

Dans les têtes métalliques, la fracture résulte presque toujours de l'initiation de la fissure de fatigue à une concentration de contrainte, généralement du bord de l'alésage ou d'un défaut de surface. Pour les têtes céramiques, la fracture peut survenir de façon aiguë (p. ex., pendant l'impact ou la dislocation) ou insidieusement de la propagation de la microcrack en raison d'une charge répétitive de la jante.

Port et ostéolyse

La friction entre la tête fémorale et la doublure acétabulaire produit des débris d'usure, qui provoquent une réponse inflammatoire conduisant à une ostéolyse périprothésique – la résorption osseuse autour de l'implant. Les mécanismes d'usure comprennent l'usure abrasive (à partir de particules incorporées dans la doublure), l'usure adhésive (transfert de matériaux entre les surfaces) et l'usure de fatigue (délamination du polyéthylène).

Trunnionose (corrosion du taper)

La micromotion à l'interface de la viscosité perturbe la couche d'oxyde passif sur les surfaces métalliques, entraînant une corrosion par frottement. Les produits qui en résultent, soit l'orthophosphate de chrome, les oxydes de cobalt et les débris métalliques, peuvent migrer dans l'espace de roulement et causer une accélération de l'usure et des dommages aux tissus locaux. Les facteurs qui augmentent la corrosion par compression comprennent : une plus grande taille de la tête (plus grand couple), une longueur plus longue du cou, une finition plus forte de la viscosité, des tiges à haut décalage et des combinaisons mixtes d'alliages (p. ex. tige Ti avec tête CoCr).

Dislocation et affaiblissement

La dislocation survient lorsque la tête fémorale glisse de la prise acétabulaire. Bien que souvent fonction de la tension tissulaire douce, de la position des composants et de la taille de la tête, les facteurs mécaniques jouent un rôle. L'usure excessive du polyéthylène peut modifier la relation tête-pochette, réduire la contrainte et augmenter le risque de dislocation. L'impingement—bone sur os ou contact implantaire sur implant—peut mettre la tête hors de la tasse; elle génère également des rayures sur la tête qui augmentent l'usure du roulement par la suite.

Progrès dans la science des matériaux

Céramiques de quatrième génération

Les céramiques composites modernes (par exemple, BIOLOX® delta) combinent l'alumine (-82 %) et la zircone (-17 %) avec l'ajout de plaquettes d'aluminium strontium pour une résistance accrue. La dureté de la fracture est de 6–8 MPa √m – soit presque le double de celle de l'alumine pure. Ces matériaux résistent aux dommages de charge des bords et ont des taux d'usure extrêmement faibles même dans des conditions défavorables.

Zirconium oxydé

Le zirconium oxydé (Oxinium) est un substrat métallique avec une surface en céramique de 5 μm d'épaisseur de zircone diffusée en elle. Il offre la ténacité d'une tête métallique combinée à la résistance à l'usure de la céramique. Les études cliniques indiquent des taux d'usure de 50 à 70 % inférieurs à CoCr contre le polyéthylène conventionnel.

Alliages métalliques avancés: Acier inoxydable renforcé à l'azote

L'acier inoxydable renforcé par l'azote (p. ex. Biodur® CCM) offre une résistance à la corrosion et une résistance à la fatigue plus élevées que le CoCr traditionnel. Il peut être fabriqué avec des finitions de surface extrêmement fines.

Texturation et revêtement de surface

L'ingénierie de surface vise à améliorer la lubrification et la résistance à l'usure. Des revêtements nanostructurés (p. ex. TiN, TiAlN, DLC) ont été appliqués sur des têtes métalliques pour augmenter la dureté. Cependant, la délamination reste un problème sous des contraintes de cisaillement élevées.

Polyéthylène hautement croisé (HXLPE) pour têtes

Bien que la plupart des HXLPE soient utilisés pour les doublures, il existe des conceptions à double mobilité où une tête en polyéthylène s'articule dans une tasse en métal. Ces têtes doivent être mécaniquement robustes pour éviter les fractures lors de l'impingement.

Résultats cliniques et longévité

Les données provenant des registres nationaux des articulations (p. ex., le Registre national de remplacement des articulations de l'Association australienne d'orthopédie, le Registre suédois de l'arthroplastie de la hanche) fournissent des preuves à long terme des résultats pour différents matériaux fémoraux. Pour les patients de plus de 65 ans, le métal-on-polyéthylène avec une tête CoCr de 32 mm démontre une survie de 10 ans d'environ 95 %. Le roulement à céramique sur polyéthylène réduit l'usure et prolonge la survie à 97-98 % à 10 ans. Les roulements céramiques sur céramique ont montré une survie ≥ 98 % à 10 ans dans des centres à volume élevé, mais avec un faible risque de squaking et de fracture.

Les facteurs qui influent sur la longévité comprennent l'expérience du chirurgien, le positionnement des composants, la conception des implants et la conformité des patients. Environ 30 % des révisions sont dues à un relâchement et à une usure aseptique, 20 % à une infection, 10 % à une dislocation et moins de 5 % à une fracture ou à une corrosion.

Conclusion

La compréhension approfondie des propriétés telles que la force, la dureté, la résistance à l'usure et la résistance à la fracture, ainsi que leur dépendance au choix du matériau, à la taille de la tête, au fini de surface et à l'activité du patient, permettent de prendre des décisions éclairées en matière de conception des implants et de technique chirurgicale. Les progrès récents dans la céramique de quatrième génération, le zirconium oxydé et le polyéthylène fortement lié ont réduit considérablement les risques d'usure et de fracture, améliorant la survie des implants et la qualité de vie du patient.

Pour plus de détails : PubMed Central offre une recherche approfondie sur la tribologie des implants; l'American Academy of Orthopaedic Surgeons fournit des directives cliniques; et le Australian Orthopaedic Association National Joint Replacement Registry publie des rapports annuels avec des données sur la survie par type d'implant.