UHMWPE RETICULE – TRIANON ATLAS

A AARON

communication complète

Le polyéthylène à très haut poids moléculaire * (1) est employé comme surface de frottement dans diverses articulations dont celles de la hanche depuis les essais de Sir Charnley en 1960.*(17)

Ses qualité tribologiques *(2), conséquences de son faible coefficient de frottement (De 0,05 à 0,1) et de ses qualités d’amortissement, en font un des matériaux les plus utilisé en orthopédie.

Le UHMWPE est biocompatible mais ses particules d’usure sont connues pour être à l’origine des ostéolyses.

FACTEURS D’USURE

Les principaux facteurs d’usure d’une articulation de hanche sont :

  • la qualité du UHMPWE

  • la poudre d’origine est principalement fournie par HOESCHT mais sa mise en ouvre diffère, donnant au produit final des qualités différentes

  • la compression fournit un matériau de plus haut poids moléculaire que l’extrusion.

  • l’usinage donne des propriétés équivalentes à celles de produits moulés directement mais permet d’obtenir des meilleures précisions dimensionnelles et géométriques

  • la stérilisation en Oxyde Ethylène assure une décontamination de surface avec très peu de résidus (taux résiduel à la libération de quarantaine inférieur à 2 ppm)

  • les qualités géométriques et dimensionnelles des surfaces frottantes

  • la sphéricité de la concavité semi sphérique de l’insert a un défaut inférieur à 5 microns et celle d’une tête varie de 5 microns pour une tête cobalt chrome à moins de 2 microns pour une tête alumine

  • le dessin de l’insert avec de épaisseurs minimales de 8 mm, (la norme NF EN 12563 autorise des épaisseurs >5mm) donc un métal back d’épaisseur réduite (Atlas épaisseur 2,5 mm)

  • une fixation de l’insert dans le métal back sans micro mouvements générateurs de particules d’usure tel que le système ATLAS

  • la rugosité des surfaces frottantes*(13)

L’usinage avec des outils spéciaux permet d’obtenir une rugosité de l’ordre de 0,8 microns Ra* (2) sur la concavité semi sphérique de l’insert.

Le polissage des têtes permet d’obtenir une rugosité d’autant plus faible que le matériau de la tête est plus dur. La rugosité est de 0,05 microns Ra pour une tête cobalt chrome et inférieure à 0,01 microns pour une tête alumine.

LE CONCEPT TRIANON

Le concept TRIANON est d’agir sur tous les facteurs pouvant réduire l’usure.

OPTIMISATION DES PROPRIETES DU UHMWPE

La réticulation est une technologie utilisée depuis les années 1973 *(14) pour réduire le volume de particules d’usure du UHMWPE.

Après plusieurs échecs dus à la fragilisation des inserts réticulés et à des cas de rupture, les paramètres de réticulation ont été fiabilisés.

Les tests sur simulateurs, maintenant corroborés par les résultats in vivo, montrent une diminution de l’usure variable de 40% à 80% *(8) (9) (15) (16) mais avec des particules d’usure de plus petites *(10) tailles donc à potentiel de nocivité plus important.*(11)

MODES DE RETICULATION

l existe plusieurs procédés de réticulation. Les paramètres principaux sont :

- le rayonnement bêta ou gamma à des doses variant de 75 à 120 kgray.

Le bêta est plus long et pénètre moins profondément la matière. Le gamma offre les caractéristiques inverses mais échauffe moins la matière.

Dans les 2 cas, la matière doit être dégazée avant et pendant le traitement pour réduire le taux d’oxygène et donc l’oxydation qui altère fortement les propriétés du UHMWPE.

L’index d’oxydation de TRIANON est de 1,2 *(6)

Le taux de réticulation se mesure par le % de gel qui est de 17 sur du UHMWPE normal et 2,9 sur le UHMWPE réticulé du concept TRIANON *(5)

  • le traitement de neutralisation des radicaux libres créés lors de la rupture des chaînes moléculaires par le rayonnement. Ce traitement peut être fait à une température supérieure à l’état « pâteux » qui est aux environ de 138°C (remelting) ou à une température inférieure (annealing) *(19)

  • Le mode de stérilisation et de conditionnement suivant la réticulation

  • ( stérilisation par rayonnement dont la dose s’ajoute à celle du traitement de réticulation donc entraîne de nouvelle ruptures de chaînes moléculaires créant les radicaux libres qui favoriseront l’oxydation ou stérilisation par gaz oxyde éthylène puis mise sous vide pour éviter l’oxydation lors des stockages).

  • La chronologie des opérations (usinage puis réticulation ou réticulation de la matière en barre puis usinage qui permet d’éliminer la couche superficielle la plus oxydée malgré le dégazage post et per traitement de réticulation).


OPTIMISATION DES PARAMETRES DE TRIBOLOGIE

Le UHMWPE TRIANON présente des résultats optimaux lorsqu’il est associé à des têtes spécifiques.

  • Tête alumine pour leur rugosité faible et leur résistance aux rayures accidentelles lors de la pose. La rugosité reste stable pour les têtes alumine alors qu’elle double en 5 millions de cycles pour une tête métal sur simulateur *(8).

    Le réticulé est sensible à l’abrasion due aux rayures.*(12)

    Les têtes alumine ont des tolérances réduites (5 microns ) et une sphéricité proche du parfait ( moins de 2 microns).

Une faible tolérance permet d’optimiser le jeu entre l’insert et la tête.

Un jeu trop faible limite la lubrification naturelle lors du mouvement.

Un jeu important entraîne un contact plus ponctiforme donc des contraintes supérieures pouvant générer des amorces de rupture.*(7)

  • Tête cobalt chrome lorsque la tête alumine n’est pas souhaitée (crainte des ruptures pourtant exceptionnelles des têtes, reprise sur un cône « usagé », coût du matériel).

  • Les têtes cobalt chrome FHO sont produites avec des tolérances très réduites par rapport à celles autorisées par la norme ISO 7206/2 afin de s’adapter avec un offset optimisé dans les inserts réticulés ( tout en pouvant être utilisées dans des inserts en UHMWPE non traité).


CONCLUSION

La réduction des volumes de particules d’usure afin de retarder l’apparition des ostéolyses et réduire leur importance est obtenue par optimisation des paramètres de qualité de tribologie de l’articulation prothétique de la hanche.

Le concept TRIANON est une solution intermédiaire entre les couples classiques UWMPE sur métal ou céramique et les couples durs / durs (alumine/alumine ou métal/métal)

La qualité du UHMWPE TRIANON permet son utilisation avec des têtes de diamètre 28, 32 et pour les cotyles de taille> 54 en diamètre 36. Le choix du diamètre de tête permet l’obtention par le chirurgien du meilleur compromis usure /risque de luxation selon l’état de chacun de ses patients.

Les résultats au recul de 5 ans démontrent que la diminution du volume de particules d’usure n’est pas annulée par leur agressivité supérieure due à leur plus petite taille.

Au recul de 5 ans les ostéolyses sont moins nombreuses avec du UHMWPE réticulé que avec un UHMWPE de même dessin.


REFERENCES

 

1 - POIDS MOLECULAIRE en g/mole = poids d’une chaîne moléculaire moyenne d’atome carbone (14) et hydrogène (1)

2 - TRIBOLOGIE Science du frottement

3 - Rugosité Ra :

5 - Mesuré selon norme américaine ASTM F 064 et ASTM F 2765

6 - mesuré selon norme ISO 5834-4 . Le taux du UHMWPE avant réticulation est de 0,8

7 - La clearance (jeu maxi entre l’insert et la tête ) est de 0,4 sur un couple PE/tête métal conventionnel et 0,2 dans le concept TRIANON

8 - Rapport CRITT N° CRITT B 06 04 016 d’essai sur 5 millions de cycles du concept TRIANON

9 - Delaunay revue de chirurgie orthopedique 2005 . 91. 70/78

10 - 95% des particules d’usure sur simulateur ont une taille inférieure à 0,35 microns alors que ce pourcentage est de 50% sur du UHMWPE conventionnel

11 - Co-cultured with murine peritoneal macrophages

Wear of historical PE in hip prostheses. Biomechanical sucess and a biological failure.

E Ingham ; J Fischer , MH Stone Medical and biological engieering , LEEDS UK

12 - Wear of conventional and cross-linked ultra-high-molecular-weight polyethylene acetabular cups against polished and roughened CoCr femoral heads in a biaxial hip simulator

Vesa Saikko 1 *, Olof Calonius 1, Jaakko Keränen 21Department of Mechanical

Engineering, Helsinki University of Technology, P.O. Box 4300, FIN-02015 HUT, Finland - Department of Materials Engineering, Tampere University of Technology, P.O. Box 589, FIN-33101, Tampere, Finland

13 - JL HAILEY - E INGHAN - BM WROBLESKI -J FISCHER

University of Leeds - Journal of enginering in medecine - 1996

14 - Radiation Improvement of Polyethylene Prostheses

Radiat. Phys. Chem. 1977;Vol 9:647 – 52 - JBJS 1978 ; 60-B : 370 – 4 - TA du Plessis , CJ Grobbelaar , F Marais

15 - Dr I Clarke Tribology Loma Linda University

Analysis of Retrievals THR Cups Of High Cross- linked UHMWPE from South Africa

Orthopaedic Research Society - 48th Annual Meeting - Dallas , Texas , Feb. 10-13 2002.

16 - An Independent Evaluation of Commercially Available Cross Linked PE Acetabular Components

Bridgette Furman, B.S .Cecilia Hernoux Shayan Bhattacharyya Stephen Li, Ph.D.

17 - Charnley J: Low friction principle. Springer Verlag. Low friction arthroplasty of the hip. Theory and practice. Berlin, Heidelberg, New York: 1979, 3-15.

18 - Effect of counterface roughness on the wear of conventional and cross linked UHMWPE studies on multi directional motion pin on disk device

Vesa SEIKO – Olof CALONIUS Journal of biomaterial 2001

19 - Fatigue crack propagation resistance of virgin and highly crosslinked, thermally treated ultra-high molecular weight polyethylene Sara J. Gencura, , , , Clare M. Rimnaca and Steven M. Kurtzb, c

 


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