Tribologie/Applications pratiques en biologie et médecine

Généralités

La tribologie permet d'étudier et parfois de comprendre beaucoup de choses dans le domaine des sciences de la vie, en médecine, dans la vie quotidienne, etc.

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Tribologie et corps humain

Cartilage et articulations

Il existe différents types d'articulations entre les parties osseuses du corps des animaux possédant un squelette interne (mammifères, oiseaux, reptiles...) :

• les articulations fibreuses unissent les os par des ensembles de fibres qui n'autorisent que des mouvements relatifs très faibles, voire nuls, on trouve par exemple les gomphoses qui immobilisent les dents dans les alvéoles dentaires ;
• les articulations cartilagineuses les unissent par des structures élastiques de type fibro-cartilage, comme on en trouve entre les vertèbres ;
• les articulations synoviales, celles qui nous intéressent ici (genou, hanche, coude, etc.), sont enfermées dans une capsule fibreuse contenant du liquide synovial, elles permettent des mouvements relatifs très libres et de grande amplitude.

Schéma d'une articulation

Un peu de vocabulaire : les os, dont les extrémités sont revêtues de cartilage, sont reliés par des ligaments qui conjointement avec les formes de leurs extrémités, déterminent les mouvements relatifs qui sont possibles et ceux qui ne le sont pas. Les articulations sont animées par des paires de muscles antagonistes (fléchisseur et extenseur généralement) qui exercent une traction sur les os par l'intermédiaire de tendons. Enfin, les parties frottantes ainsi que certains ligaments et/ou « coussins » fibro-cartilagineux sont enfermés dans une enveloppe étanche, la capsule synoviale ou sac synovial, qui sécrète et enferme un liquide articulaire spécial, la synovie (du latin ovum, « œuf ») dont la consistance visqueuse rappelle le blanc d’œuf cru. les enthèses sont les zones de transition correspondant à l'attache des tendons et des ligaments sur les os ; en passant des uns aux autres, les fibres de collagène se minéralisent progressivement.

Les cartilages articulaires ou cartilages hyalins (il en existe d'autres sortes, comme les cartilages de conjugaison ou de croissance) permettent les mouvements relatifs des pièces osseuses avec des frottements extrêmement faibles. Nous allons examiner leur constitution, leur fonctionnement, leur régénération et leurs maladies, notamment l'arthrose.

Constitution du cartilage

Le cartilage hyalin en bon état, disons même « en bonne santé », présente un aspect très lisse, brillant, blanc ou blanc-rosé, qui évoque le verre opalin. Lorsqu'il a été mis au jour récemment, sa surface est très douce au toucher, en même temps glissante et légèrement humide.

Le constituant de base du cartilage est un réseau de fibres de collagène qui déterminent sa forme extérieure et sa résistance aux déformations. Le collagène est une protéine structurale de très forte masse moléculaire, sécrétée par les cellules des tissus conjonctifs ; il est présent dans presque tous les tissus et représente à peu près le quart de la masse protéique des mammifères. Du point de vue industriel, c'est la matière première qui sert à fabriquer la gélatine et certaines colles organiques (d'os, de poisson, etc.).

Du point de vue mécanique, le collagène est très résistant à la traction et, contrairement à l'élastine, il s'allonge très peu sous l'effet des sollicitations. En revanche, comme toute structure fibreuse, il n'offre qu'une résistance infime à la compression.

La structure en triple hélice des fibres de collagène

La répartition des cellules du collagène dans la masse du cartilage n'est pas homogène : vers l'extérieur, ces cellules sont aplaties et parallèles à la surface frottante tandis qu'en profondeur, du côté de l'os, elles sont disposées en colonnes perpendiculaires à cette surface. Une sorte de « charpente » ainsi constituée par des fibres de collagène forme des sortes d'arcs, ou d'ogives, orientés par rapport aux charges comme le sont les ogives d'une voûte de cathédrale. Dans ce réseau sont emprisonnées de grosses molécules de protéoglycanes, combinaisons de protéines et de très fortes quantités de sucres (jusqu'à plus de 90 %) que l'on peut se représenter comme des sortes d'éponges tentaculaires dont la propriété principale est de retenir de l'eau, beaucoup d'eau.

Outre une très forte proportion d'acide hyaluronique, le liquide synovial contient beaucoup d'autres molécules, notamment les nutriments indispensables à la « maintenance » du système et les déchets produits dans l'articulation. Les chondrocytes sont de grosses cellules arrondies, d'un diamètre de 10 à 40 µm, présentes dans le cartilage. Ce sont elles qui synthétisent en permanence le collagène et les protéoglycanes nécessaires à la croissance et/ou au renouvellement des structures du cartilage.

Contrairement à la plupart des autres tissus, le cartilage n'est irrigué par aucun réseau sanguin. On peut le considérer comme une éponge imbibée de liquide synovial. Pour que ce liquide puisse circuler à l'intérieur, il faut que l'on « presse l'éponge », autrement dit que la structure soit mise sous pression, ce qui nécessite la mise en charge de l'articulation lors d'un mouvement. Une partie de la synovie est alors expulsée puis, lorsque la pression cesse, le cartilage reprend sa forme en réabsorbant le liquide. Autrement dit, le cartilage d'une articulation au repos n'est pas alimenté en nutriments... et simultanément les déchets s'y accumulent, hors de portée des cellules « nettoyeuses »...

« Fonctionnement » du cartilage

Au repos, par suite de divers phénomènes liés à l'osmose, une pression de l'ordre de 2 bars règne à l'intérieur du cartilage. C'est l'une des conséquences de l'avidité des molécules de protéoglycanes pour l'eau ; de ce fait, la structure de collagène est ferme et en quelque sorte « gonflée ».

Lors d'une mise en charge statique, celle qui se produit par exemple dans les hanches et les genoux d'une personne qui se tient debout, la pression monte dans le cartilage sous l'effet de la charge, des fuites de liquide se produisent mais en réaction elles font croître la pression osmotique, de sorte que la déformation reste modérée ; la charge, une partie du poids des personnes concernées dans notre exemple, est alors répartie grâce à la souplesse des tissus et transmise de façon harmonieuse aux structures osseuses sous-jacentes. Le cartilage reste toutefois suffisamment rigide pour que la stabilité de l'articulation soit assurée.

Lors du glissement sous charge qui se produit lorsqu'une articulation est mise en mouvement, la charpente de collagène s'affaisse et le liquide synovial contenu dans le cartilage est mis sous pression ; c'est lui qui supporte l'essentiel des charges car il n'a pas le temps de s'échapper de la structure qui freine considérablement ses déplacements. Les cellules superficielles elles-mêmes sont très peu sollicitées mécaniquement et de plus elles sont protégées des contacts directs à la fois par l'acide hyaluronique adsorbé et par celui qui exsude des tissus. Dans ces conditions, les frottements ne dépendent pratiquement plus des contacts entre solides mais seulement des lois de la mécanique des fluides.

Nous avons donc là une structure très résistante, peu sujette à l'usure, et surtout dotée d'un coefficient de frottement extrêmement faible, largement inférieur à celui d'un patin d'acier sur la glace. D'une manière générale, les cycles de charge et de décharge qui se produisent lors de mouvements tels que la marche ou mastication des aliments sont plus favorables que l'application de charges statiques de longue durée sur des articulations immobiles. Chacun a pu constater, par exemple, qu'il est souvent plus fatigant, voire plus douloureux en cas de problèmes articulaires, de piétiner sur place que de marcher.

Ce principe de fonctionnement est mis à profit dans divers projets et mécanismes industriels ou autres, voir à cet effet le paragraphe suivant : Guidage sur des couches minces « spongieuses ».

Il faut ajouter que la synovie n'est pas un fluide « newtonien », c'est-à-dire un fluide dont la viscosité est indépendante de la vitesse de déformation qu'on lui impose. De nombreux produits chimiques ou alimentaires d'usage courant sont des fluides non-newtoniens, comme les peintures dont la viscosité augmente lorsqu'on les étale et qui se lissent ensuite, ou le yaourt fréquemment utilisé pour les travaux pratiques de mécanique des fluides dans les écoles d'ingénieurs. Les uns se fluidifient quand on les déforme, les autres au contraire s'épaississent.

En fait l'acide hyaluronique, qui constitue l'essentiel de la synovie, est un fluide thixotropique du type rhéofluidifiant : sa viscosité diminue lorsque le gradient de vitesse augmente, autrement dit, dans une articulation, les forces de frottement fluide sont d'autant plus faibles que le mouvement est plus rapide. Par ailleurs, l'application d'une pression provoque une augmentation de la viscosité, tendant à transformer la synovie de l'état de sol à celui de gel, ce que l'on peut se représenter sous forme de molécules très mobiles les une par rapport aux autres en l'absence de pression et qui créent entre elles, lorsque la pression augmente, des liaisons physico-chimiques suffisamment fortes pour freiner leurs mouvements relatifs. Ces deux effets concomitants permettent à la fois de faciliter les mouvements et de limiter l'expulsion du fluide synovial hors du cartilage, lors de l'application d'un effort statique.

Il est clair que les cellules superficielles du cartilage jouent un rôle fondamental dans ces processus. Leur forme et leur répartition fait que la surface est moins poreuse que l'intérieur, ce qui limite les fuites tout en facilitant la formation de couches adsorbées favorables au glissement.

Endommagement du cartilage, arthrose

L'endommagement du cartilage peut avoir plusieurs causes, principalement :

• Les traumatismes liés à des chocs accidentels ou à certaines pratiques sportives extrêmes qui peuvent provoquer, par exemple, des fissurations et/ou des ruptures des revêtements de cartilage et rendre ainsi les surfaces incapables d'assurer correctement leurs fonctions. Des fragments de cartilage peuvent ainsi être « libérés » dans l'enveloppe synoviale et il est parfois nécessaire de les retirer de façon chirurgicale. Ceci dit, ces lésions traumatiques n'ont rien à voir avec un endommagement naturel ou avec les conséquences de certaines maladies ; dans certains cas, elles peuvent se réparer spontanément à condition de donner à la nature suffisamment de temps pour qu'elle puisse accomplir son travail.
• Le dysfonctionnement des chondrocytes, qui aboutit à la destruction du cartilage et provoque l'arthrose, une maladie qui touche une grande partie de la population mondiale, notamment les personnes âgées.

L'arthrose atteint actuellement un bon tiers de la population française générale et handicape sérieusement plus de la moitié des personnes de plus de 50 ans. Elle est responsable directement ou indirectement d'environ 5 % de la consommation de médicaments dans les pays industrialisés. Cette situation est aujourd'hui banalisée et généralement admise comme une fatalité. Profitons-en pour noter que l'expression communément utilisée, notamment sous la plume des journalistes, « consommation de médicaments », met ces derniers sur le même plan que les autres produits de la vie courante, radis, lave-linge, stylos à bille, dentifrices, véhicules automobiles, sodas, ordinateurs portables, etc., en leur retirant le statut particulier dont ils devraient bénéficier... Conséquence de notre société dite... de consommation ! En France, malgré une utilisation massive de médicaments qui représente à la fin de la décennie 2010 près de 2 % des dépenses de l'assurance-maladie (contre 0,8 % en 1993), non seulement l'état des patients atteints d'arthrose ne s'améliore pas, mais il continue apparemment de se dégrader.

Le cartilage n'est pas une matière inerte susceptible de s'user comme le font les composants mécaniques selon les processus classiques d'abrasion, d'adhésion ou autres, mais une matière vivante capable de se régénérer ou, au contraire, de se dégrader sous l'effet de divers processus physiologiques. Une erreur très fréquente, y compris dans le corps médical, est de considérer que le cartilage perd de la matière comme le font au fil du temps les pièces mécaniques dites d'« usure », disques d'embrayage ou autres plaquettes de freins, par exemple. Et il n'existe évidemment pas de magasin où l'on puisse acheter les pièces de rechange qui prendront la place de celles qui ont été détériorées.

Comme d'autres tissus animaux, les muscles par exemple, le cartilage est capable de s'adapter aux circonstances et de se renforcer si on le fait "travailler". Ce sont les chondrocytes qui produisent les matériaux nécessaires, lorsqu'ils sont en bon état.

Malheureusement, le fonctionnement des chondrocytes peut se dérégler sous l'effet d'inflammations chroniques provoquées par toute une série de causes telles que les traumatismes, les mouvements répétitifs (des dactylos, des musiciens, des ouvriers, des sportifs...), les attitudes défectueuses qui provoquent une mauvaise répartition des pressions sur les cartilages, l'obésité, certaines intolérances alimentaires, certaines attaques bactériennes ou virales, etc. Des facteurs génétiques favorisant l'inflammation chez les personnes âgées semblent en cause dans 15 à 20 % des cas. Alors qu'ils devraient maintenir les cartilages en bon état, les chondrocytes n'arrivent plus à fabriquer les substances nécessaires et pire, ils favorisent la destruction du collagène et des protéoglycanes. Pour le patient cela se traduit par des douleurs qui peuvent devenir insupportables. Plus le cartilage s'amincit et se fragilise, plus l'articulation se raidit, et cela peut aller jusqu'à la complète mise à nu des terminaisons osseuses.

Les mauvaises attitudes favorisent également un mécanisme de dégradation de type « cercle vicieux ». En faussant la répartition normale des pressions dans les articulations, elles rendent ces dernières douloureuses, amenant les personnes atteintes à rechercher les attitudes les moins inconfortables possibles mais qui souvent s'éloignent davantage encore des attitudes normales. Ainsi les arthroses des vertèbres lombaires et cervicales, de la hanche (coxarthrose) et du genou se trouvent-elles favorisées et aggravées, engendrant parfois d'importantes déformations corporelles.

L'inflammation chronique des chondrocytes se propage peu à peu à toute l'articulation et aux tissus avoisinants. Une fois qu'elles ont été stimulées par l'inflammation, les terminaisons nerveuses deviennent hypersensibles et les moindres mouvements réveillent la douleur.

Une découverte récente (annoncée le 29 mars 2006) complète les idées que l'on avait jusqu'ici sur le fonctionnement du cartilage. Une équipe de l'Université de Durham (Caroline du Nord) a nommé « lubricin » un composant particulier du lubrifiant articulaire qui, semble-t-il, n'a pas pour seul rôle de réduire le frottement ; il formerait, en combinaison avec l'acide hyaluronique, une fine pellicule superficielle capable de repousser les surfaces articulaires et d'éviter tout contact entre elles. Dans une articulation saine, cette couche superficielle intacte protège les cartilages tout en intervenant dans l'obtention d'un coefficient de frottement très faible. Si elle est endommagée ou absente, il s'ensuit un défaut de lubrification qui entraîne toute une série de défaillances mécaniques ou autres et favorise finalement l'arthrose.

Prévenir et soigner l'arthrose

Il ne s'agit évidemment pas dans cet article de proposer des diagnostics et des traitements, c'est-à-dire de « jouer au docteur ». Toutefois diverses considérations d'ordre plus ou moins général permettent de mieux comprendre les problèmes et les phénomènes liés à l'arthrose.

Actuellement, dans les cas extrêmes, les seules solutions que l'on puisse proposer aux malades sont des interventions chirurgicales qui consistent à supprimer le problème en immobilisant ou en remplaçant l'articulation défaillante :

• L'arthrodèse permet de bloquer une articulation lésée par fusion osseuse ; les os auparavant mobiles se soudent après enlèvement des cartilages. Cette opération est pratiquée notamment au niveau des vertèbres, elle est généralement irréversible ;
• Les prothèses sont des composants mécaniques constitués de pièces en métal (titane ou alliage chrome-cobalt par exemple), en matière plastique (silicone, polypropylène...), en céramique, etc., qui permettent de reproduire les mouvements originaux de l'articulation endommagée. Les extrémités des os sont préalablement coupées et préparées pour un assemblage solide avec les éléments de substitution. On remplace ainsi assez facilement l'articulation de la hanche, plus difficilement celle du genou, et d'autres parties du corps comme les doigts peuvent être concernées.

Dans les deux cas les données du problème ont été changées et nous voici hors sujet puisque l'arthrose a disparu.

La question de savoir si les cartilages endommagés peuvent plus ou moins se « régénérer » ou se « réparer », dans certaines conditions, n'est pas définitivement tranchée. On admet généralement que les très fortes pertes de cartilage et les endommagements mécaniques de type traumatisme ne permettent aucune « guérison » ou réparation des dégâts mais il existe des cas particuliers. Nous sommes bien placé pour savoir qu'un fragment de cartilage détaché d'un os, se promenant tel un touriste égaré dans le sac synovial et rendant extrêmement douloureuse sinon impossible la flexion d'un genou, a pu par chance reprendre sa place et finalement se ressouder, sans aucun traitement ni intervention et de plus, sans aucune séquelle.

Il est avéré que les cycles de charge et de décharge provoquent une circulation de liquide synovial dans la structure spongieuse du cartilage et que le transport des matériaux nécessaires à toute régénération est impossible sans ce flux. Rien n'est donc possible si le propriétaire du cartilage endommagé ne se donne pas la peine de faire un minimum de mouvement.

Une activité physique suffisamment intense et l'élimination des causes connues ou probables de l'arthrose, telles que le surpoids, les infections, les gestes répétitifs, les traumatismes, une alimentation exempte de pesticides et autres produits chimiques de tout poil, etc. jouent un rôle important dans la diminution des risques d'apparition et d'aggravation de la maladie.

De nombreuses études sont en cours sur le sujet des nutriments nécessaires à l'entretien naturel des cartilages et du liquide synovial. Ces nutriments peuvent être apportés par une alimentation saine ; les teneurs en nutriments des légumes « modernes » sont actuellement bien inférieures à celles des légumes « anciens » cultivés selon les méthodes traditionnelles, avec des racines plongées dans une terre vivante et non dans des liquides tout droit sortis des usines chimiques. Pour les aliments dits ultra-transformés c'est encore pire. C'est pourquoi de nombreux laboratoires proposent des compléments alimentaires ad hoc mais peut-être vaudrait-il mieux revoir avant tout les techniques de production des aliments, qui dans la plupart des cas ne sont plus agricoles mais industrielles.

Naturellement, si l'on peut dire, l'arthrose s'accompagne de douleurs intenses, qu'il est nécessaire de calmer pour que les malades puissent retrouver une qualité de vie au moins acceptables. Le rôle et le mode d'action des produits anti-douleur et anti-inflammatoires n'est pas très bien établi et la littérature disponible sur ce sujet ne permet pas de dégager beaucoup de certitudes. La douleur est un signal d'alarme qui doit être pris en compte par les patients. L'inflammation, comme la fièvre, est un moyen de lutte dont dispose l'organisme contre les infections. Dans certaines conditions, l'action des produits qui masquent les symptômes ou les réactions du corps peut inciter les patients à imaginer que tout va mieux et les amener à faire des efforts ou à prendre des risques qui vont en fait aggraver la situation. Leur état, après une amélioration illusoire, ne fait alors qu'empirer.

La prévention et le traitement de l'arthrose comptent aujourd'hui parmi les problèmes de santé publique les plus préoccupants.

Dents

Indépendamment des attaques de la carie, les dents s'usent selon trois processus essentiels :

• l'attrition, qui est l'usure « normale » des dents lors de la mastication des aliments ; il s'agit en fait d'une usure abrasive.
• l'abrasion, qui résulte d'un frottement survenant en-dehors des phases de mastication ; les contraintes intenses qui résultent de la mise en contact des dents lorsque l'on avale sa salive ou surtout le bruxisme, qui est un phénomène pathologique, désagrègent l'émail dentaire sous l'effet de contraintes excessives,
• l'érosion est un processus de dissolution causé par l'attaque des aliments acides, jus de fruits, sodas, agrumes, vinaigre, cornichons, légumes acides, reflux gastro-aérophagiens, etc. ; on peut faire le parallèle avec la corrosion.

Le lecteur averti notera que le vocabulaire utilisé en art dentaire diffère sensiblement de celui des physiciens ou des mécaniciens. Il faut en effet traduire attrition par abrasion, abrasion par dépassement des contraintes admissibles et érosion par corrosion.

Pour une meilleure protection bucco-dentaire, on conseille :

• de ne pas abuser des aliments acides et d'éviter le grignotage,
• de retenir le moins longtemps possible les aliments acides dans la bouche,
• de consommer du lait ou du fromage après une agression acide, ce qui permet de « reminéraliser » l'émail qui vient d'être attaqué,
• de ne pas se brosser les dents juste après une attaque acide mais de laisser auparavant la salive jouer son rôle de régulateur d'acidité.

Les empreintes digitales

Divers scientifiques se sont intéressés au rôle joué par les empreintes digitales dans la vie courante, indépendamment bien sûr des questions relatives à l'identification des individus. À quoi ces dessins en relief que nous portons tous sur le bout de nos doigts peuvent-ils servir ?

La réponse à cette question est loin d'être simple et les mesures comparatives sont très difficiles à réaliser. On sait cependant que la disparition des empreintes digitales ne réduit que très faiblement l'adhérence des doigts sur les surfaces lisses. Il est vraisemblable en revanche qu'elles jouent un rôle relativement important dans les contacts avec des objets rugueux tels que des rochers, des troncs d'arbres, etc. On pense aussi qu'elles améliorent la préhension des objets mouillés en permettant d'évacuer des zones réelles de contact une partie des fluides présents dans l'interface.

Les prothèses articulaires

Prothèses de la hanche

Une prothèse totale de hanche

Du point de vue mécanique, l'articulation de la hanche est une des plus simples parmi toutes celles que l'on peut rencontrer dans le corps humain, puisqu'il s'agit d'une rotule. Ses pathologies se multiplient en raison des nouveaux modes de vie et de travail mais aussi à cause de pratiques sportives souvent désastreuses. On ne porte pas une attention suffisante à l'état de cette articulation, en particulier lors des visites médicales d'aptitude, et cela se paye quelques années plus tard.

Le football, le rugby, le handball ou le basket sollicitent beaucoup les hanches mais les conditions actuelles de la pratique du tennis en font un sport à haut risque, ce que de nombreux champions apprennent à leurs dépens. Les techniques chirurgicales se limitent généralement à retirer des débris de cartilage, les résultats obtenus sont peu probants. L'administration d'anti-inflammatoires ou l'injection d'acide hyaluronique pour augmenter la lubrification ne résolvent pas les problèmes de fond, bien au contraire, car le sportif délivré de ses douleurs continue d'endommager ses cartilages avec davantage d'entrain.

La prévention semble être actuellement la meilleure méthode de lutte contre les pathologies des articulations. Les membres inférieurs de longueur différente doivent être détectés, car ils entraînent des déséquilibres articulaires aux conséquences graves. Dans beaucoup de sports, les mouvements brutaux, les changements de direction, les aller et retour rapides, les blocages à la réception d'un saut, etc., font que les hanches portent jusqu'à dix fois le poids du corps ; cette situation s'aggrave avec le développement exagéré de la musculature, qui ne s'accompagne pas d'une augmentation concomitante des surfaces d'appui articulaires. En cas de problème, on sait maintenant que prescrire le repos est une erreur car les fonctions de l'organisme s'entretiennent par l'usage ; mieux vaut une activité physique modérée qui continue de solliciter raisonnablement les articulations.

Évolutions historiques

Prothèse de hanche en titane, avec rotule en céramique et un cotyle en polyéthylène

La première prothèse de hanche de R. Judet était en résine acrylique, matériau qui fut rapidement abandonné en raison d'une usure rapide accompagnée d'une importante émission de débris. Les premières prothèses utilisables étaient en acier inoxydable, matériau toujours utilisé dans certains cas.

Les alliages de type chrome-cobalt résistent mieux et produisent moins de débris mais ils ne sont pas toujours bien tolérés et on les tient pour les principaux responsables des descellements.

Les alliages de titane, dont l'utilisation est plus récente, sont particulièrement intéressants pour les prothèses sans ciment en raison de leur module d'élasticité plus proche de celui de l'os. On sait depuis peu que si la prothèse est cimentée, la surface de la prothèse fémorale en alliage de titane doit impérativement être lisse.

La prothèse de Mac Kee faisait frotter une tête en cobalt-chrome sur un cotyle en cobalt-chrome, elle fut abandonnée à la suite de très nombreux descellements provoqués par un mauvais jeu articulaire entre tête et cotyle.

Charnley trouva une autre solution, toujours utilisée. Il fit frotter une tête métallique en alliage chrome-cobalt (meilleur dans ce cas que l'acier inoxydable) sur un cotyle en polyéthylène haute densité. L'usure de ce dernier est de l'ordre de 0,1 mm par an.

Boutin fut le premier à utiliser une tête en céramique (alumine) et un cotyle en polyéthylène. Le frottement céramique-polyéthylène est excellent et produit peu de débris d'usure. La céramique de zircone tend aujourd'hui à remplacer l'alumine.

Le frottement céramique contre céramique produit peu de débris mais se révèle fragile. Grâce à de nouvelles techniques de polissage, des chirurgiens suisses et allemands ont mis au point, pour le cotyle, une coque en alliage de chrome-cobalt encastrée dans un cotyle en polyéthylène, avec un frottement métal-métal. Ce système est expérimental et doit encore faire ses preuves.

Depuis 1985, les travaux se sont orientés vers un nouveau couple de frottement : métal-céramisé contre métal-céramisé : le Plasma-Ceram est obtenu par projection à la torche plasma d'oxyde de chrome. La vitesse des particules en sortie de torche est de 1 800 m/s et la température de 15 000°C ; un refroidissement très brutal assure une hypertrempe de 15 000 à 60°C en 10 µs. Il en résulte un véritable encastrement à chaud de cristaux hexagonaux dont la tenue mécanique est largement supérieure aux cristaux tétragonaux habituels pour les céramiques. Propriétés du revêtement :

• Résistance d'ancrage de la céramique sur le substrat : 4 MPa
• Dureté : 1 800 Vickers
• Module d'élasticité 280 000 MPa
• Densité 5,41
• Biocompatibilité confirmée sur cultures cellulaires, petits et gros animaux.
• Coefficient de frottement à sec : 0,075.

Ce système est expérimental et doit encore faire ses preuves.

Procédures de pose des prothèses

La prothèse totale d'une articulation consiste à enlever l'articulation naturelle endommagée à la suite d'un traumatisme articulaire, d'une pathologie acquise ou congénitale ou d'une arthrose dégénérative et à la remplacer par un implant doté des fonctions mécaniques appropriées.

Une articulation est constituée par les extrémités de deux ou plusieurs os reliées entre elles par des ligaments. Par exemple, la hanche est une rotule dont la sphère femelle appartient à l'os pelvien et la sphère mâle à l'extrémité du fémur. Le genou met en relation l'extrémité inférieure du fémur avec l'extrémité supérieure du tibia. Les extrémités des os mis en contact sont normalement recouvertes d'une couche de cartilage qui assure un glissement doux et presque sans frottement. Le fonctionnement de l'articulation devient douloureuse lorsque ce cartilage se trouve endommagé. Chaque articulation est en outre enfermée dans une enveloppe de tissu fibreux contenant un liquide lubrifiant, la synovie.

L'endommagement d'une articulation est parfois si sévère et douloureux que le patient évite tout mouvement non nécessaire, ce qui finit par affaiblir les muscles correspondants et réduire encore la mobilité. C'est l'état de l'ensemble constitué par les os, le cartilage, les ligaments et les muscles que l'on doit donc étudier pour savoir s'il vaut mieux opérer ou laisser les choses en l'état. L'opération ne doit être décidée que lorsque toutes les autres méthodes de soins ont échoué.

La plupart des prothèses comportent des éléments métalliques réalisés en acier inoxydable, en alliage chrome-cobalt ou en titane, fixés à la partie conservée de l'os par des ciments acryliques. Les contre-faces articulaires de frottement sont maintenant réalisées en polyéthylène de très haute densité, matériau qui présente de bonnes caractéristiques frottantes en face des métaux.

L'opération est pratiquée sous anesthésie générale ou régionale. La chirurgie sous anesthésie régionale donne moins de problèmes pulmonaires.

On peut normalement recommencer à marcher un jour ou deux après une prothèse totale de genou ou de hanche. On n'opère en général que les patients de plus de 60 ans, sauf dans de rares cas, parce que les personnes plus jeunes ont tendance à user trop vite les prothèses qui doivent alors être remplacées, ce qui est toujours délicat.

Le taux de réussite est actuellement de 95 %. Les complications sont plus fréquentes chez les patients ayant des problèmes de santé avant l'intervention chirurgicale : saignement au niveau du site opératoire, chute d'hémoglobine, formation de caillots dans les veines (thrombophlébite), fracture per-opératoire, dislocation de la prothèse. Plus rarement se produisent des infections au voisinage de la prothèse, une usure de la surface en polyéthylène ou une dislocation tardive de la prothèse.

Difficultés pour évaluer les solutions

Il est couramment admis qu'en arthroplastie totale de la hanche, aucune comparaison des résultats cliniques obtenus avec différentes sortes d'implants ne peut être raisonnablement établie avant une durée de l'ordre de 10 ans. Comme pour tous les systèmes qui doivent atteindre des durées de vie importantes, il est très difficile de réaliser des essais de vieillissement accéléré en laboratoire car on risque de faire apparaître des processus de dégradation différents de ceux qui se produisent dans la réalité.

On sait toutefois que les débris d'usure sont en grande partie responsables des complications à long terme, en particulier à cause de réactions immuno-allergiques provoquées par les particules métalliques, réactions auxquelles on attribue certains descellements. Les surfaces frottantes doivent donc être choisies en fonction de leurs émissions sous l'effet du frottement.

Nouveautés en matière de traitement des surfaces

La société Tecvac Ltd, de Cambridge, propose une famille de nouveaux traitements de surface biocompatibles capables de faciliter le glissement des contacts métal sur métal. Il s'agit essentiellement de revêtements de carbone adamantin (DLC) déposé sur du nitrure de titane, très durs (plus de 4.500 HV) et qui permettent d'obtenir des coefficients de frottement de l'ordre de 0,1. Cependant il faut que la surface du nitrure de titane soit rugueuse (rough) pour améliorer la liaison entre ces deux couches. Pour cela il faut que la couche mince TiN soit riche en azote sinon la couche DLC ne résistera pas à l'usure. Ces surfaces permettent également le frottement sur les matières plastiques utilisées dans les prothèses.

Prothèses du genou

à venir

Matériel médical

Ce matériel pose des problèmes très spécifiques, car il est stérilisé très souvent et les diverses liaisons par frottement ou par roulement en subissent les conséquences. Leur lubrification, par exemple, devient très difficile.

La société américaine Barden [1] consacre une partie de son site internet à des informations destinées aux constructeurs d'appareils destinés aux dentistes ; les roulements de très haute précision utilisés dans les turbines des pièces à main sont particulièrement concernés par ce problème. Les nouveaux roulements sont dessinés de façon à mieux retenir les lubrifiants et à résister davantage à la contamination par les débris provoqués par l'action des fraises. Voir : [2]