Etudes experimentale et numerique de prothese non cimentees du genou humain

Arthritis is a major cause affecting the mobility of the knee joint. Arthroplasty provides an alternative solution for restoration of the knee joint functionality. Two types of fixation are commonly used: cemented and uncemented. This study deals with uncemented fixations in which porous-surface, posts and screws are employed to hold a prosthesis in place. Bone/porous-surfaced metal interface, posts and screws are important for the short- and long-term fixation stability of implants. In this work, mechanics of the prosthesis fixation are studied using experimental and numerical methods.

The first part of this work dealt with experimental investigations of mechanical properties of the bone/metal and polyurethane/metal interfaces. A special set-up was designed to measure the friction properties at the interface. The effect of parameters such as the type of metallic plate, excision site of cancellous bone specimens on the resurfaced tibiae, and the magnitude of the normal contact pressure at the interface was considered.

In the second part, the pull-out load-displacement response of bone screws, beaded porous coated posts, and smooth surfaced posts was measured in both proximal tibial cancellous bone and polyurethane material. Appropriate apparatus were designed for the pull-out tests. The effect of parameters such as outside diameter of posts and screws, insertion depth, and repetitive cyclic loadings on the response was considered. The pull-out forces under monotonic static and repetitive cyclic loading for the bone screws, beaded porous coated posts, and smooth-surfaced posts were determined and compared. Bone screws resisted significantly larger loads than posts of the same size. The smooth-surfaced posts showed superior performance in maintaining their resistance in fatigue than did the porous coated posts and bone screws. The pull-out force was found to also depend on the pull-out material arrangements and boundary conditions.

In the third part of this work, an apparatus was developed to perform compression tests on a metallic plate fixed by screws or posts into a polyurethane block. For the sake of comparison, the plate without any fixation resting freely on top of the polyurethane block was also considered. For each fixation, both symmetric and eccentric loading configurations were applied.

In the fourth part, finite element models were developed for different types of interface, for porous and smooth posts, and for screw fixation into polyurethane and bone. Two types of friction, idealized Coulomb friction and nonlinear friction, were employed. The incorporation of nonlinear friction was found to be very important in order to compute realistic results. A simplified model was proposed for screw fixation in polyurethane and bone. Subsequently, a finite element model of a plate resting on a polyurethane block, with and without posts and screws, was developed. (Abstract shortened by UMI.)

Alternate abstract:

L'arthrite est une cause majeure affectant la mobilité de l'articulation du genou. L'arthroplastie offre une solution alternative pour la restauration de la fonctionnalité de l'articulation du genou. Deux types de fixation sont couramment utilisés : cimenté et non cimenté. Cette étude porte sur les fixations non cimentées dans lesquelles une surface poreuse, des tenons et des vis sont utilisés pour maintenir une prothèse en place. L'interface os/métal à surface poreuse, les tenons et les vis sont importants pour la stabilité de fixation à court et à long terme des implants. Dans ce travail, la mécanique de la fixation de la prothèse est étudiée à l'aide de méthodes expérimentales et numériques.

La première partie de ce travail a porté sur l'étude expérimentale des propriétés mécaniques des interfaces os/métal et polyuréthane/métal. Un montage spécial a été conçu pour mesurer les propriétés de frottement à l'interface. L'effet de paramètres tels que le type de plaque métallique, le site d'excision des spécimens d'os spongieux sur les tibias resurfacés et l'amplitude de la pression de contact normale à l'interface a été pris en compte.

Dans la deuxième partie, la réponse charge-déplacement à l'arrachement des vis à os, des tenons à revêtement poreux perlé et des tenons à surface lisse a été mesurée à la fois dans l'os spongieux tibial proximal et dans le matériau en polyuréthane. Des appareils appropriés ont été conçus pour les essais d'arrachement. L'effet de paramètres tels que le diamètre extérieur des piliers et des vis, la profondeur d'insertion et les charges cycliques répétitives sur la réponse a été pris en compte. Les forces d'arrachement sous une charge statique monotone et cyclique répétitive pour les vis à os, les tenons perlés à revêtement poreux et les tenons à surface lisse ont été déterminées et comparées. Les vis à os ont résisté à des charges significativement plus importantes que les tenons de même taille. Les tenons à surface lisse ont montré des performances supérieures dans le maintien de leur résistance à la fatigue que les tenons à revêtement poreux et les vis à os. Il a été constaté que la force d'arrachement dépendait également des arrangements de matériaux d'arrachement et des conditions aux limites.

Dans la troisième partie de ce travail, un appareil a été développé pour effectuer des essais de compression sur une plaque métallique fixée par des vis ou des poteaux dans un bloc de polyuréthane. A titre de comparaison, la plaque sans aucune fixation reposant librement sur le bloc de polyuréthane a également été considérée. Pour chaque fixation, des configurations de chargement symétriques et excentriques ont été appliquées.

Dans la quatrième partie, des modèles d'éléments finis ont été développés pour différents types d'interface, pour des tenons poreux et lisses, et pour une fixation par vis dans le polyuréthane et l'os. Deux types de frottement, le frottement de Coulomb idéalisé et le frottement non linéaire, ont été utilisés. L'incorporation du frottement non linéaire s'est avérée très importante pour calculer des résultats réalistes. Un modèle simplifié a été proposé pour la fixation par vis dans le polyuréthane et l'os. Par la suite, un modèle aux éléments finis d'une plaque reposant sur un bloc de polyuréthane, avec et sans poteaux et vis, a été développé. (Résumé abrégé par UMI.)