La chirurgie de remplacement de la hanche, ou arthroplastie totale de la hanche, est l'une des interventions orthopédiques les plus réussies et les plus changeantes, qui rétablissent la mobilité et atténuent la douleur de millions de patients dans le monde. La réussite à long terme d'un implant de hanche dépend fortement de la surface du roulement, l'interface où la tête fémorale s'articule contre la doublure acétabulaire. Deux options de roulements importantes sont les articulations métal-sur-métal (MoM) et céramique-sur-céramique (CoC).

Qu'est-ce que la tribologie et pourquoi est-ce important dans les implants de hanche?

La tribologie, dérivée du mot grec tribos signifiant « frotter », est la science interdisciplinaire qui étudie la friction, l'usure et la lubrification entre les surfaces en interaction en mouvement relatif. Dans le contexte des implants de hanche, la tribologie se concentre sur le couple portant – la tête fémorale et la doublure acétabulaire – comme ils s'articulent à travers des millions de cycles chaque année.

L'optimisation tribologique des implants de hanche a pour objectif premier de minimiser la production de débris d'usure. L'usure des particules, quelle que soit leur composition, peut déclencher une réaction inflammatoire du corps étranger qui conduit à l'ostéolyse (résorption osseuse), au relâchement des implants et à une défaillance éventuelle. De plus, la friction doit être maintenue faible pour préserver le film de lubrification et réduire le couple sur l'interface implant-os. L'interaction entre les matériaux de roulement, le lubrifiant (fluide synnovial) et la rugosité de surface régit le taux d'usure et la réactivité de l'environnement biologique.

Les principaux paramètres tribologiques des implants de hanche comprennent le coefficient de frottement, la rugosité de surface, la rugosité et la formation d'un régime de lubrification par film liquide. Un roulement bien lubrifié fonctionne dans le régime de lubrification de limite ou mixte, où un film liquide fin sépare les surfaces. Les matériaux à haute humidité et à faible rugosité de surface favorisent une meilleure lubrification et une usure plus faible. Des progrès récents dans la tribologie computationnelle ont permis aux chercheurs de modéliser ces phénomènes avec une grande précision, ce qui a permis de concevoir des roulements avec des tolérances sous-micrométriques.

Roulements métalliques sur métaux : la promesse et les pièges

Les roulements métalliques sur métaux (MoM) ont été réintroduits dans les années 1990 comme alternative aux roulements en polyéthylène classiques, en particulier pour les patients plus jeunes et actifs qui avaient besoin d'une grande durabilité et d'une taille de tête plus grande pour réduire le risque de dislocation. Ces roulements utilisent généralement des alliages cobalt-chromium-molybdène (CoCrMo) pour la tête fémorale et la tasse acétabulaire.

Comment les roulements du MdM fonctionnent Tribologiquement

Dans un roulement MoM bien fonctionnel, un mince film fluide de fluide synovial sépare partiellement les deux surfaces métalliques, créant un régime de lubrification mixte. La rugosité de surface des roulements MoM modernes est extrêmement faible (Ra < 0,05 μm), et la dureté élevée des alliages CoCrMo résiste à l'usure abrasive. Les surfaces de roulement subissent un processus appelé «endormir», où les aspérités initiales sont usées, ce qui conduit à une surface polie et à faible friction.

L'usure volumétrique faible des roulements MoM par rapport au polyéthylène conventionnel a été initialement annoncée comme un avantage majeur. Cependant, les débris d'usure générés sont principalement des particules métalliques de taille nanométrique, qui ont un rapport surface-volume élevé et sont biologiquement actives.Ces particules peuvent se dissoudre en ions métalliques, y compris le cobalt et le chrome, qui entrent dans le sang et peuvent s'accumuler dans les tissus locaux et les organes éloignés. La réponse biologique aux débris métalliques peut se manifester par la métallose, les réactions tissulaires locales indésirables (ALTR) et les lésions vascultiques aseptiques associées (ALVAL), conduisant à la douleur, pseudotumores et nécrose musculaire.

Avantages des roulements de MO

  • Haute résistance à l'usure[: Après la literie, les roulements MoM présentent des taux d'usure linéaire extrêmement bas, pouvant durer entre 20 et 30 ans ou plus dans des conditions optimales.
  • Diamètre de la tête plus grand: Les conceptions métal-sur-métal permettent de gros têtes fémorales (36 mm à 48 mm ou plus), ce qui augmente significativement la distance de saut et réduit le risque de dislocation, une préoccupation majeure chez les patients à haut risque.
  • Dureabilité chez les patients actifs: La dureté et la force élevées des alliages CoCrMo rendent les roulements MoM adaptés aux personnes plus jeunes et à forte demande qui mettent plus de stress sur l'implant.
  • Aucun risque de fracture de céramique: Contrairement aux roulements de céramique, les composants métalliques sont ductiles et ne se brisent pas de façon catastrophique, offrant une marge de sécurité en termes d'intégrité mécanique.

Inconvénients des roulements du MdM

  • Délibération d'ions métalliques: Les ions cobalt et chrome sont libérés dans l'organisme, avec des effets systémiques potentiels, y compris la neurotoxicité, la cardiomyopathie et la dysfonction thyroïdienne.L'exposition à long terme reste préoccupante, en particulier chez les patients insuffisants rénaux.
  • Métallose et ALTR[: L'accumulation de débris métalliques dans les tissus périprothétiques peut causer une inflammation locale, une formation pseudotumorale et une ostéolyse, ce qui nécessite souvent une chirurgie de révision. L'incidence des ALTR a été rapportée jusqu'à 5-10% dans certains modèles de MM à un suivi de 10 ans.
  • Dégât réglementaire et clinique[ : En raison des taux de révision élevés et des préoccupations en matière de sécurité, plusieurs modèles de MM ont été retirés du marché. La Food and Drug Administration (FDA) des États-Unis a émis de multiples communications en matière de sécurité, et l'utilisation de roulements de MM de gros diamètre a fortement diminué depuis 2010.
  • Sensibilité de la conception de l'implant: Les roulements MoM sont très sensibles au positionnement de l'implant. Les angles d'inclinaison suboptimaux de la coupe acétabulaire (au-dessus de 50°) peuvent entraîner une charge des bords et une usure accélérée, augmentant de façon spectaculaire les niveaux d'ions métalliques.

Résultats cliniques et leçons tirées

Les données du registre du registre national de remplacement de l'Association orthopédique australienne et du registre national de remplacement de la MM pour l'Angleterre et le pays de Galles ont constamment montré des taux de révision plus élevés pour les roulements MoM que pour les roulements céramiques et très liés entre eux. Le taux de révision sur 10 ans pour les roulements MoM est d'environ 12 à 15 % pour les grosses têtes, comparativement à 3 à 5 % pour les roulements céramiques sur céramique.

Roulements céramiques sur céramique : le point de repère pour la tribologie dure sur dure

Les roulements céramiques sur céramique (CoC) sont apparus comme une alternative pour traiter les problèmes d'usure et de libération d'ions associés aux roulements métalliques. Les roulements CoC offrent les taux d'usure les plus bas de tout couple de roulement utilisé dans l'arthroplastie de la hanche. Les propriétés tribologiques des céramiques – dureté extrême, grande humidité et inerte chimique – en font une option attrayante pour les patients jeunes et actifs qui désirent une longue survie en implant avec une réaction biologique minimale.

Comment les roulements du CdC fonctionnent-ils Tribologiquement

Les roulements céramiques sur céramiques obtiennent un régime de lubrification unique appelé « lubrification par film fluide », où un film mince continu de fluide synovial sépare les deux surfaces pendant la majeure partie du cycle de la démarche. Ceci est facilité par l'excellente humidité des surfaces céramiques (angles de contact inférieurs à 20°), qui favorise la propagation du fluide et la formation de film. La rugosité de surface des têtes céramiques modernes est exceptionnellement faible (Ra < 0,01 μm), et la dureté de l'alumine est d'environ 2000 HV (durité de Vickers), ce qui est plus que le double de celle des alliages CoCrMo.

Les débris d'usure des roulements CoC sont principalement constitués de particules céramiques de nanomètre à micromètre qui sont généralement considérées comme étant biologiquement inertes par rapport aux débris métalliques ou en polyéthylène. Ces particules sont souvent intégrées dans le tissu synovial sans provoquer une forte réponse inflammatoire. Cependant, la performance tribologique des roulements CoC dépend de la qualité de fabrication, de la sphéricité et de la finition de surface.

Avantages des roulements du CdC

  • Taux d'usure extrêmement bas: Les roulements CoC démontrent systématiquement l'usure linéaire et volumétrique la plus faible de tous les couples de roulement, certaines études signalant des taux d'usure 4 000 fois plus faibles que le polyéthylène conventionnel.
  • Réactivité biologique minimale: Les débris céramiques sont relativement inertes et ne déclenchent pas la même cascade ostéolytique que les débris métalliques ou de polyéthylène. L'incidence de l'ostéolyse est extrêmement faible dans les roulements CoC avec un positionnement approprié.
  • Aucune libération d'ions métalliques: Les céramiques ne corrodent ni ne libèrent d'ions métalliques, éliminant les risques de toxicité des métaux, de métallose et d'ALTR.
  • Excellent biocompatibilité[: L'aluminium et la ZTA ont de longues années d'utilisation sûre en orthopédie et démontrent une intégration biologique stable.
  • Fonctionnement faible: Le faible coefficient de frottement réduit le couple appliqué à l'interface implant-os, ce qui réduit potentiellement le risque de relâchement aseptique.

Inconvénients des roulements du CdC

  • Risque de fracture céramique[: Bien que rare dans la fabrication moderne – avec des taux d'incidence inférieurs à 0,02 % pour le delta du Biolox – les composants céramiques peuvent se fracturer de façon catastrophique sous un traumatisme ou une malposition élevée.
  • Squeaking: Le squeaking audible est une complication unique des roulements CoC, qui se produit dans environ 1 à 5 % des cas. Il est attribué à la charge des bords, à la microséparation et à une perte de lubrification de film fluide, entraînant une vibration de la surface céramique à glissement de bâton.
  • Coût plus élevé: Les roulements CoC sont généralement plus chers que les solutions de remplacement métal-on-polyéthylène ou MoM, qui peuvent influencer la sélection des implants dans les systèmes de soins de santé à coûts réduits.
  • Usation de rayures[: Dans les cas de microséparation (lorsque la tête se sublime pendant la phase de oscillation de la démarche), une zone localisée d'usure accélérée appelée usure de rayures peut se produire sur la tête céramique, produisant de plus grandes particules de débris et augmentant potentiellement le taux d'usure.
  • Options de révision limitée: Si un composant céramique se fracture ou échoue, la révision peut nécessiter l'enlèvement de fragments de céramique bien fixés, et le chirurgien doit souvent se convertir en un couple de roulement différent (p. ex., céramique sur polyéthylène) pour éviter d'autres complications.

Matériaux céramiques modernes: Delta de Biolox et au-delà

L'introduction du Delta de Biolox (composé d'alumine à bourrelets de zircone) au début des années 2000 a amélioré de façon significative la résistance à la rupture des roulements en céramique. Le Delta de Biolox contient environ 25% de zircone, 75% d'alumine et de petites quantités d'oxyde de chrome et d'oxyde de strontium, ce qui a réduit le risque de fracture à moins de 0,02 % en série clinique. Une revue systématique de 2017 par Lombardi et al.] a confirmé que les roulements modernes du CdC ont des taux d'usure et de révision extrêmement faibles comparables à ceux des roulements en polyéthylène fortement croisés à moyen terme.

Analyse comparative : roulements du MdM et du CdC

Lors de la comparaison des roulements du MM et du CdC, plusieurs paramètres tribologiques et cliniques clés doivent être pris en considération.

Caractéristiques de l'usure et des débris

Les roulements CoC produisent des ordres de grandeur moins de particules d'usure que les roulements MoM. L'usure volumétrique annuelle de la CoC est généralement inférieure à 0,1 mm3, tandis que les roulements MoM produisent 1–5 mm3 par an après la literie. Plus critique, l'activité biologique des débris est profondément différente. Les débris métalliques sont réactifs, favorisent la libération de cytokine inflammatoire et peuvent causer l'ostéolyse même à de faibles volumes. Les débris céramiques sont largement inertes. Cette distinction est la principale raison pour laquelle les roulements CoC sont favorisés chez les patients ayant des niveaux d'activité élevés ou une espérance de vie plus longue.

Friction et lubrification

Les roulements CoC démontrent constamment un coefficient de frottement plus faible (0,02–0,05) que les roulements MoM (0,10–0,15) sous une charge physiologique simulée. La grande humidité et la lubrification par film fluide de la céramique entraînent un couple de frottement plus faible, ce qui peut réduire la contrainte sur l'interface osseux-implant.

Risque de déplacement

Les deux types de roulements permettent de prendre de plus grandes tailles de tête, ce qui réduit le risque de dislocation. Cependant, l'adoption historique de têtes de grand diamètre était la plus importante avec les roulements MoM. Aujourd'hui, les roulements CoC sont disponibles en grandes tailles (32 à 40 mm) et, lorsqu'ils sont combinés avec des conceptions modernes de tasses et des liners à limes, offrent des taux de dislocation comparables à ceux du MoM.

Taux de survie et de révision

Les données du registre montrent systématiquement une survie plus faible des roulements du MdM par rapport aux roulements du CdC. Le taux de survie sur 10 ans des THA primaires du MdM est d'environ 85 à 90 % dans les séries modernes, alors que les roulements du CdC atteignent 95 à 98 % de la survie à la même période. Le nombre nécessaire pour éviter une révision en choisissant le CdC plutôt que le MdM est estimé entre 10 et 20 chez les patients de moins de 65 ans.

Rentabilité

Cependant, compte tenu des taux de révision plus faibles et de l'évitement des complications liées à la toxicité des métaux, plusieurs analyses économiques de la santé ont révélé que la CdC était rentable dans les populations de patients plus jeunes lorsqu'elle était modélisée sur une période de 20 ans. Malgré leur coût initial inférieur, les roulements de la MdM subissent des coûts importants en aval de la surveillance des ions, de la surveillance de l'imagerie et de la chirurgie de révision des ALTR.

Résultats cliniques et rendement à long terme

Les études à long terme des roulements CoC ont démontré une excellente durabilité, avec des taux d'usure si faibles qu'ils sont souvent indétectables à l'aide d'une analyse radiostérométrique conventionnelle (ARS).Une étude de 2015 réalisée par Vendittoli et al. a révélé un taux d'usure linéaire moyen de 0,002 mm/an pour les roulements CoC sur 10 ans, sans cas d'ostéolyse.

Le registre suédois de l'arthroplastie de la hanche et le registre australien présentent un risque de révision significativement plus élevé pour le MdM que pour la CdC après ajustement pour l'âge, le sexe et la conception des implants. Le risque de révision pour le MdM est deux à trois fois plus élevé que pour la CdC à 10 ans. Il est important de noter que l'expérience du chirurgien et la précision du positionnement des composants ont un effet modérant sur ces résultats.

Sélection des patients et prise de décision partagée

Le choix entre les roulements du MdM et du CdC doit être individualisé en fonction des facteurs du patient, de l'expertise du chirurgien et de la disponibilité des implants.

Jeunes patients actifs

Pour les patients de moins de 60 ans ayant des niveaux d'activité élevés (par exemple, athlètes, ouvriers), les roulements de la CoC sont l'option privilégiée en raison de leur faible taux d'usure, de leur biocompatibilité et de leurs données de survie à long terme. Le risque théorique de fracture de céramique (maintenant extrêmement faible) est compensé par l'évitement de la toxicité et de l'ostéolyse des ions métalliques.

Patients âgés, à faible demande

Chez les patients de plus de 75 ans ayant une activité limitée, les roulements MoM peuvent encore être considérés, en particulier si une grosse taille de tête est souhaitée pour la stabilité et les coûts sont essentiels. Cependant, même dans cette population, la nécessité d'une surveillance des ions à vie et le risque d'ALTR rendent les roulements MoM moins attrayants que les roulements en polyéthylène ultra-relié modernes, qui offrent une excellente résistance à l'usure et aucune libération d'ions métalliques.

Patients présentant une déficience rénale

Comme la clairance des ions métalliques dépend de la fonction rénale, les roulements MoM sont relativement contre-indiqués chez les patients atteints d'une maladie rénale chronique (stade 3 ou pire). Les roulements CoC sont l'option la plus sûre et dure dans ce scénario, car ils ne produisent pas de charge systémique en ions métalliques.

Patients ayant un MdA antérieur ayant échoué

Les patients qui ont déjà subi une défaillance de l'implant de la hanche du MOM due à l'ALTR ou à la métallose devraient recevoir un roulement CoC ou céramique sur polyéthylène lors d'une chirurgie de révision.

Orientations futures de la technologie de roulement de hanche

La recherche sur la tribologie du roulement continue d'évoluer, avec plusieurs innovations prometteuses à l'horizon. Les roulements céramiques sur métal (CoM) tentent de combiner la faible usure de la céramique avec la ténacité du métal, mais les premiers résultats montrent une libération accrue d'ions métalliques en raison des interactions de l'aspériité céramique avec la surface du métal. L'oxynium (zirconium oxydé) est un autre matériau hybride qui offre une surface semblable à celle de la céramique sur un substrat métallique, mais son utilisation se limite aux articulations céramiques sur polyéthylène plutôt qu'aux couples dures sur dures.

Des revêtements de surface avancés, comme le carbone de type diamant (DLC) ou le nitrure de titane (TiN), ont été étudiés pour améliorer les performances tribologiques des roulements métalliques. Cependant, les données cliniques sur les têtes fémorales revêtues de DLC ont montré des résultats mitigés, avec certains rapports de délamination du revêtement et d'usure accrue. L'avenir pourrait être dans le développement de composites céramiques[ avec une ténacité encore plus élevée et des taux d'usure plus faibles, ainsi que des procédés de fabrication améliorés qui éliminent les microdéfectuosités. L'utilisation de souvent être faite de fabrication additive (3D) pour des implants céramiques personnalisés est également en cours d'étude, ce qui pourrait permettre des géométries portantes spécifiques au patient qui optimisent la lubrification et la stabilité.

De plus, des approches de lubrification biomimétique, telles que l'incorporation de l'acide hyaluronique ou d'autres lubrifiants de bordure dans la surface de l'implant, sont étudiées pour améliorer la formation de film liquide et réduire les frottements même dans des conditions marginales.

Conclusion

Les roulements à moM, tout en offrant une résistance initiale élevée et de grandes tailles de tête, sont chargés par la libération d'ions métalliques, les réactions indésirables des tissus et les taux de révision plus élevés, ce qui entraîne une diminution de leur utilisation courante. Les roulements CoC, avec leur usure extrêmement faible, les débris inertes et l'excellente biocompatibilité, représentent la norme d'or pour l'articulation dure-sur-dure chez les jeunes patients actifs. Le risque de fracture céramique a été réduit de façon spectaculaire avec les matériaux modernes et le phénomène de la coloration, bien que notable, affecte rarement la survie des implants.

Pour la majorité des patients qui subissent aujourd'hui des THA, les roulements céramiques sur céramique (ou céramiques sur polyéthylène à liaison croisée) offrent le meilleur équilibre de durabilité, de sécurité et de fonctionnement à long terme. Les roulements métalliques sur métal occupent une place étroite chez les patients plus jeunes ayant des exigences spécifiques et ayant accès à une technique chirurgicale spécialisée et à un suivi vigilant.

Pour plus de renseignements sur la tribologie et les résultats cliniques, consultez la bibliothèque d'éducation des patients de l'American Academy of Orthopaedic Surgeons (AAOS)[ ou consultez la revue séminale 2015 de Massin et al. sur la tribologie de l'arthroplastie totale de la hanche.