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Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8
N° d'ordre : 4346 École Doctorale des Sciences Pour l'Ingénieur ULP – INSA Strasbourg – ENGEES - URS THESE présentée pour obtenir le grade de Docteur de l'Université Louis Pasteur – Strasbourg I Discipline : Sciences pour l'Ingénieur (spécialité : Sciences des Matériaux et Biomécanique) par Dominique FOUCAT Effets de la présence d'un grillage métallique au sein du ciment de scellement des cupules des prothèses totales de hanche. Etude mécanique et thermique. Soutenue publiquement le 16 septembre 2003 Membres du jury : Directeur de thèse : P. Mille H.D.R., Institut National des Sciences Appliquées de Strasbourg Codirecteur de thèse : F. Bonnomet P.U., P.H., Centre Hospitalier Universitaire de Hautepierre Rapporteur interne : R. Willinger P.U., Institut de Mécanique des Fluides et des Solides de Strasbourg Rapporteur externe : J. M. Meyer P.U., Université de Genève, Division Technologie des Matériaux Rapporteur externe : H. Migaud P.U., P.H., Centre Hospitalier Régional Universitaire de Lille Examinateur : A. Cornet P.U., Institut National des Sciences Appliquées de Strasbourg Membres invités : J. L. Kahn P.U., Institut d'Anatomie Normale, Hôpitaux Universitaires de Strasbourg J. F. Kempf P.

  • régional universitaire de lille

  • professeur alain

  • universitaire de hautepierre

  • profonde reconnaissance

  • institut national des sciences appliquées de strasbourg


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Publié le 01 septembre 2003
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Langue Français
Poids de l'ouvrage 8 Mo




N° d’ordre : 4346
École Doctorale des Sciences Pour l’Ingénieur
ULP – INSA Strasbourg – ENGEES - URS
THESE
présentée pour obtenir le grade de
Docteur de l’Université Louis Pasteur – Strasbourg I
Discipline : Sciences pour l’Ingénieur
(spécialité : Sciences des Matériaux et Biomécanique)
par
Dominique FOUCAT
Effets de la présence d’un grillage métallique au sein du ciment
de scellement des cupules des prothèses totales de hanche.
Etude mécanique et thermique.
Soutenue publiquement le 16 septembre 2003
Membres du jury :
Directeur de thèse : P. Mille H.D.R., Institut National des Sciences Appliquées
de Strasbourg
Codirecteur de thèse : F. Bonnomet P.U., P.H., Centre Hospitalier Universitaire de
Hautepierre
Rapporteur interne : R. Willinger P.U., Institut de Mécanique des Fluides et des Solides
de Strasbourg
Rapporteur externe : J. M. Meyer P.U., Université de Genève, Division Technologie
des Matériaux : H. Migaud P.U., P.H., Centre Hospitalier Régional Universitaire
de Lille
Examinateur : A. Cornet P.U., Institut National des Sciences Appliquées
de Strasbourg
Membres invités : J. L. Kahn P.U., Institut d’Anatomie Normale, Hôpitaux
Universitaires de Strasbourg
J. F. Kempf P.U., P.H., Centre Hospitalier Universitaire de
Hautepierre

Laboratoire d’Ingénierie des Surfaces de Strasbourg (L.I.S.S. - EA 3435), I.N.S.A. de Strasbourg

N° d’ordre : 4346
École Doctorale des Sciences Pour l’Ingénieur
ULP – INSA Strasbourg – ENGEES - URS
THESE
présentée pour obtenir le grade de
Docteur de l’Université Louis Pasteur – Strasbourg I
Discipline : Sciences pour l’Ingénieur
(spécialité : Sciences des Matériaux et Biomécanique)
par
Dominique FOUCAT
Effets de la présence d’un grillage métallique au sein du ciment
de scellement des cupules des prothèses totales de hanche.
Etude mécanique et thermique.
Soutenue publiquement le 16 septembre 2003

Membres du jury :
Directeur de thèse : P. Mille H.D.R., Institut National des Sciences Appliquées
de Strasbourg
Codirecteur de thèse : F. Bonnomet P.U., P.H., Centre Hospitalier Universitaire de
Hautepierre
Rapporteur interne : R. Willinger P.U., Institut de Mécanique des Fluides et des Solides
de Strasbourg
Rapporteur externe : J. M. Meyer P.U., Université de Genève, Division Technologie
des Matériaux : H. Migaud P.U., P.H., Centre Hospitalier Régional Universitaire
de Lille
Examinateur : A. Cornet P.U., Institut National des Sciences Appliquées
de Strasbourg
Membres invités : J. L. Kahn P.U., Institut d’Anatomie Normale, Hôpitaux
Universitaires de Strasbourg
J. F. Kempf P.U., P.H., Centre Hospitalier Universitaire de
Hautepierre

Laboratoire d’Ingénierie des Surfaces de Strasbourg (L.I.S.S. - EA 3435), I.N.S.A. de Strasbourg


A mon père Roger Foucat
A mon grand-père Marie-Alphonse Hassler Avelinus
















1
Remerciements
Je tiens à exprimer toute ma reconnaissance au Professeur Jean – François Kempf, chef du
service de Chirurgie Orthopédique et Traumatologique et d’Arthroscopie de l’Appareil
Locomoteur du C.H.U. de Hautepierre, ainsi qu’au Professeur François Bonnomet, praticien
hospitalier dans le même service, pour m’avoir donné un sujet de thèse aussi passionnant.
Je remercie tout particulièrement la Région Alsace et la société Centerpulse (Etupes, France) qui
ont bien voulu cofinancer ce travail de recherche. Mes remerciements s’adressent également au
Professeur François Bonnomet et à monsieur André Colson, ancien directeur de l’E.N.S.A.I.S.,
devenue Institut National des Sciences Appliquées de Strasbourg (I.N.S.A.) cette année, pour
toutes les démarches qu’ils ont entreprises afin de me donner les moyens de réaliser ce projet.
Mes travaux de thèse ont été effectués sous la direction de Pierre Mille, HDR, et du Professeur
François Bonnomet au Laboratoire d'Ingénierie des Surfaces de Strasbourg (L.I.S.S.), dirigé par
le Professeur Alain Cornet, à l’I.N.S.A. de Strasbourg. Je tiens à exprimer ma profonde gratitude
au Professeur Alain Cornet pour son accueil bienveillant au sein du L.I.S.S. Je remercie mon
directeur de thèse, Pierre Mille, HDR, pour la confiance qu’il m’a accordée tout au long de ce
travail de recherche. Le Professeur François Bonnomet, codirecteur de thèse, m’a fait bénéficier
de son savoir, de son expérience et de ses conseils avec beaucoup de gentillesse, de compétence
et d’efficacité. Il m’a emmenée assister à plusieurs arthroplasties totales de la hanche au C.H.U.
de Hautepierre. Qu’il trouve ici le témoignage de ma profonde reconnaissance.
Je remercie les membres du G.E.B.O.A.S. (Groupe d’Etudes en Biomécanique OstéoArticulaire
de Strasbourg), et notamment les Professeurs Yvan Kempf, Henri Sick, Jean – Luc Kahn,
Jean – François Kempf et François Bonnomet, pour les conseils bienveillants qu’ils m’ont
prodigués au cours de nos réunions mensuelles, ainsi que le Docteur William Van Hille qui a eu
l’amabilité de me prêter sa bibliographie. Mes remerciements vont aussi au Docteur Pierre
Henky qui m’a fait partager son expérience, ses idées, et m’a donné l’occasion d’assister à une
arthroplastie totale de la hanche à la clinique Sainte-Odile de Strasbourg.
Au cours de ces années de recherche, plusieurs personnes à l’I.N.S.A. m’ont apporté leur aide
précieuse, avec beaucoup de gentillesse et en particulier Philippe Denier (Dr), Valentin Nelea
(Dr), Hervé Pelletier (Dr), Saida Mouhoubi (Dr), Claude Geist, Jean – François Sivignon, Hubert
Kocher, Daniel Rauch, Karine Metzinger et Christine Andres, que je remercie chaleureusement.
Mes remerciements s'adressent enfin aux membres du jury qui ont bien voulu accepter de juger
mon travail, et tout particulièrement aux trois rapporteurs, les Professeurs Rémy Willinger,
Jean – Marc Meyer et Henri Migaud, ainsi qu’au Professeur Alain Cornet, examinateur. 2
Résumé
Nous avons étudié les effets thermiques et mécaniques de la présence d’un tissu métallique au
sein du ciment de scellement des cupules des prothèses totales de hanche. Cette recherche a pour
but de prolonger la durée de vie d’une arthroplastie en améliorant la stabilité des implants
acétabulaires cimentés. Par analogie au béton armé, notre étude s’est articulée autour de deux
phases :
¤ la phase provisoire dont la durée est celle de la reconstruction de l’articulation
coxofémorale. Des essais thermiques in vitro réalisés dans des conditions proches de celles
fixées par la norme ISO/DIS 5833 ont montré que le volume et la position de l’armature ont
un effet statistiquement significatif sur la réduction de la température maximale de
polymérisation et sur la limitation du retrait apparent du ciment lors de sa prise. Après avoir
caractérisé la topographie de la surface des digitations du ciment dans l’os acétabulaire de
deux hémibassins au moyen d’un rugosimètre 3D à microscopie optique confocale, nous
avons reproduit le relief de la surface osseuse sur le fond d’un moule et celui de la cupule sur
l’autre face. Le retrait apparent du ciment coulé dans ce moule est gêné par les digitations et
le relief de l’implant. L’ancrage du ciment dans le fond du moule augmente avec la présence
d’un grillage placé à proximité de cette interface et avec la section d’armatures ;
¤ la phase de service qui est celle de l’utilisation par le patient de la prothèse au cours de sa vie
quotidienne. Plusieurs cas de charge (marche, course, montée et descente des escaliers,
s’asseoir et se lever d’une chaise) ont été étudiés. La modélisation 3D aux éléments finis
réalisée à partir du modèle géométrique de Pedersen et al. a montré que la présence d’un
grillage à proximité de l’interface ciment – os est pertinente puisque les contraintes
maximales de traction dans le ciment y sont observées. Ces contraintes diminuent avec
l’augmentation de la section d’armatures.

Mots clés
Prothèse totale de hanche, implant acétabulaire, ciment chirurgical, grillage métallique,
descellement aseptique, phase provisoire, température de polymérisation, retrait gêné, phase de
service, modélisation 3D aux éléments finis, marche, course, montée et descente des escaliers, se
lever d’une chaise, s’asseoir sur une chaise. 3
Abstract
We studied thermal and mechanical effects of the presence of a metallic mesh in bone cement
fixation of acetabular components in total hip arthroplasty. The aim of this research is to increase
total hip prosthesis lifetime by improvement of cemented acetabular implants stability. By
analogy with reinforced concrete this study was structured around two stages :
¤ a temporary stage which lasts until the end of total joint replacement. In vitro tests conducted
in international standard ISO 5833 approaching conditions showed that steel volume and
position of a mesh have a statistically significant effect on maximal temperature decrease and
apparent shrinkage limitation during cement polymerisation. Surface topography of cement
digitations inside acetabular bone of two hemipelves were characterized by confocal optical
microscopy. Bone surface was reproduced in a mould bottom and cup surface inside of the
mould plunger. Tests showed that digitations and cup relief hampered polymerising cement
apparent shrinkage and that bonding between cement and mould bottom increased with the
section area of a mesh placed near this interface;
¤ a service stage which is the postoperative time when the patient uses his prosthesis during
daily activities. Several loading cases (walking, jogging, going upstairs, going downstairs,
sitting on a chair, rising from a chair) were studied. A three-dimensional finite element
analysis of the acetabular region constructed on the basis of the Pedersen et al.’s geometrical
model showed that the presence of a metallic mesh near the bone – cement interface is quite
pertinent because maximal tensile stresses are observed in this region. These tensile stresses
decrease with mesh section area increase.

Keywords
Total hip arthroplasty, acetabular implant, bone cement, metallic mesh, aseptic loosening,
temporary stage, polymerisation temperature, shrinkage, service stage, 3D finite element
analysis, walking, jogging, going upstairs, going downstairs, sitting on a chair, rising from a
chair.

4

RESUME
Nous avons étudié les effets thermiques et mécaniques de la présence d’un tissu métallique au sein du
ciment de scellement des cupules des prothèses totales de hanche. Cette recherche a pour but de prolonger
la durée de vie d’une arthroplastie en améliorant la stabilité des implants acétabulaires cimentés. Par
analogie au béton armé, notre étude s’est articulée autour de deux phases :
¤ la phase provisoire dont la durée est celle de la reconstruction de l’articulation coxofémorale. Des
essais thermiques in vitro réalisés dans des conditions proches de celles fixées par la norme ISO/DIS
5833 ont montré que le volume et la position de l’armature ont un effet statistiquement significatif sur
la réduction de la température maximale de polymérisation et sur la limitation du retrait apparent du
ciment lors de sa prise. Après avoir caractérisé la topographie de la surface des digitations du ciment
dans l’os acétabulaire de deux hémibassins au moyen d’un rugosimètre 3D à microscopie optique
confocale, nous avons reproduit la surface osseuse sur le fond d’un moule et celle de la cupule sur
l’autre face. Le retrait apparent du ciment coulé dans ce moule est gêné par les digitations et le relief
de l’implant. L’ancrage du ciment dans le fond du moule augmente avec la présence d’un grillage
placé à proximité de cette interface et avec la section d’armatures ;
¤ la phase de service qui est celle de l’utilisation par le patient de la prothèse au cours de sa vie
quotidienne. Plusieurs cas de charge (marche, course, montée et descente des escaliers, s’asseoir et se
lever d’une chaise) ont été étudiés. La modélisation 3D aux éléments finis réalisée à partir du modèle
géométrique de Pedersen et al. a montré que la présence d’un grillage à proximité de l’interface
ciment – os est pertinente puisque les contraintes maximales de traction dans le ciment y sont
observées. Ces contraintes diminuent avec l’augmentation de la section d’armatures.
Mots clés
Prothèse totale de hanche, implant acétabulaire, ciment chirurgical, grillage métallique, descellement
aseptique, phase provisoire, température de polymérisation, retrait gêné, phase de service, modélisation
3D aux éléments finis, marche, course, montée et descente des escaliers, se lever d’une chaise, s’asseoir
sur une chaise.
ABSTRACT
We studied thermal and mechanical effects of the presence of a metallic mesh in bone cement fixation of
acetabular components in total hip arthroplasty. The aim of this research is to increase total hip prosthesis
lifetime by improvement of cemented acetabular implants stability. By analogy with reinforced concrete
this study was structured around two stages :
¤ a temporary stage which lasts until the end of total joint replacement. In vitro tests conducted in
international standard ISO 5833 approaching conditions showed that steel volume and position of a
mesh have a statistically significant effect on maximal temperature decrease and apparent shrinkage
limitation during cement polymerisation. Surface topography of cement digitations inside acetabular
bone of two hemipelves were characterized by confocal optical microscopy. Bone surface was
reproduced in a mould bottom and cup surface inside of the mould plunger. Tests showed that
digitations and cup relief hampered polymerising cement apparent shrinkage and that bonding
between cement and mould bottom increased with the section area of a mesh placed near this
interface;
¤ a service stage which is the postoperative time when the patient uses his prosthesis during daily
activities. Several loading cases (walking, jogging, going upstairs, going downstairs, sitting on a
chair, rising from a chair) were studied. A three-dimensional finite element analysis of the acetabular
region constructed on the basis of the Pedersen et al.’s geometrical model showed that the presence of
a metallic mesh near the bone – cement interface is quite pertinent because maximal tensile stresses
are observed in this region. These tensile stresses decrease with mesh section area increase.
Keywords
Total hip arthroplasty, acetabular implant, bone cement, wire mesh, aseptic loosening, temporary stage,
polymerization temperature, shrinkage, service stage, 3D finite element analysis, walking, jogging, going
upstairs, going downstairs, sitting on a chair, rising from a chair. TABLE DES MATIERES
INTRODUCTION GENERALE................................................................................................11
CHAPITRE 1 - ARTHROPLASTIE DE LA HANCHE......................................................... 17
1.1 - PATHOLOGIE DES ARTICULATIONS.........................................................................17
1.2 - DEFINITIONS ET BUTS D’UNE ARTHROPLASTIE...................................................18
1.3 - INDICATIONS ET CONTRE-INDICATIONS................................................................18
1.3.1 - Indications d’une arthroplastie totale de la hanche.................................................... 18
1.3.2 - Contre-indications d’une arthroplastie totale de la hanche........................................ 19
1.4 - HISTOIRE DE LA PROTHESE DE LA HANCHE.........................................................20
1.5 - EXIGENCES REQUISES POUR UNE ARTICULATION ARTIFICIELLE.................. 28
1.6 - HISTOIRE DU CIMENT CHIRURGICAL ACETABULAIRE ARME..........................29
CHAPITRE 2 - MATERIAUX...................................................................................................49
2.1 - LA HANCHE.................................................................................................................... 49
2.1.1 - Les formes.................................................................................................................. 49
2.1.2 - Les structures..............................................................................................................50
2.1.2.1 - Les os...................................................................................................................50
2.1.2.2 - Le cartilage articulaire.........................................................................................52
2.1.2.3 - La synoviale.........................................................................................................53
2.1.3 - Structure de l’os coxal................................................................................................54
2.1.4 - Biomécanique de l'acetabulum...................................................................................55
2.1.5 - Mouvements et muscles............................................................................................. 57
2.2 - MATERIAUX DES PROTHESES CIMENTEES............................................................60
2.2.1 - Biocompatibilité et biocompétence............................................................................ 60
2.2.2 - Matériaux constitutifs des implants prothétiques.......................................................61
2.2.2.1 - Les alliages métalliques.......................................................................................61
2.2.2.2 - Les céramiques.................................................................................................... 62
2.2.2.3 - Le polyéthylène................................................................................................... 63
2.2.3 - Combinaisons de matériaux des surfaces articulaires................................................ 64
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