Brevet FR2460658A1 — publié le 19810130

La présente invention concerne une prothèse d'articulation du type comportant un élément de fixation destiné à être fixé dans un logement prévu dans une struc- ture osseuse et un élément articulaire disposé à une ex- trémité de l'élément de fixation et muni d'un rebord qui e s t susceptible de venir en butée sur le bord de l'ouverture dudit logement lors de la mise en place de l'élément de fixation dans celui-ci. L'invention trouve une application dans le do- maine de la chirurgie osseuse pour la restauration des articulations, en particulier dans le domaine des prothè- ses de la hanche. Les prothèses d'articulation actuelles compor- tent une tige de fixation destinée à être scellée ou an- crée dans un os long (fémur par exemple) et un élément articulaire, par exemple en forme de tête sphérique, rap- porté solidaire de la tige de fixation ou formant une seule pièce avec celle-ci. La fixation de la tige peut être réalisée soit par scellement au moyen d'un ciment, soit par ancrage biologique sans ciment. Dans tous les cas connus, un rebord d'arrêt est prévu sur la tige de fi- xation ou, à défaut, sur V'élément articulaire qui en est solidaire, ceci au moins pour limiter l'enfoncement dans le.logement formé dans l'os, le rebord d'arrêt venant en butée contre la partie reséquée de l'os qui entoure l'ouverture'de ce logement. Un inconvénient des prothèses connues est que l'effort d'appui des rebords d'arrêt sur la partie sec- tionnée est indéterminé une fois l'ancrage définitive- ment réalisé. Il se peut, en effet, que l'appui soit to- tal, partiel ou nul. Dans le cas d'un appui nul ou incom- plet, il y a mauvaise transmission des efforts entre l'élément articulaire et la partie sectionnée, ce qui conduit à une fragilisation de l'os au niveau de cette partie. La présente invention a pour but de remédier à cet inconvénient pour fournir une prothèse qui, après ancrage ou scellement de son élément de fixation, permet une reconstitution aussi fidèle que possible du passage des efforts entre l'élément articulaire et la partie sec- tionnée. Ce but est atteint par une prothèse du type défini plus haut dans laquelle, conformément à l'inven- tion, l'élément de fixation est dépourvu de rebord d'ar- rét à l'enfoncement et l'élément articulaire est monté sur l'extrémité de l'élément de fixation pour pouvoir coulisser par rapport à celui-ci dans une direction sen- siblement perpendiculaire à la surface contenant le re- bord inférieur de l'élément articulaire, de manière à permettre un appui permanent dudit rebord sur le bord de la structure osseuse entourant le logement de l'élément de fixation après fixation de celui-ci dans son logement. Grâce à cette disposition, un appui "physiolo- gique" constant est assuré entre l'élément articulaire et la surface de l'os à son extrémité sectionnée, sur- face qui est ajustée en conséquence. A l'exception des efforts de frottement d'amor- tissement et de couple de basculement qui sont transmis à l'élément de fixation, le transfert des efforts d'ap- pui se fait directement sur la partie sectionnée sans passer par l'élément de fixation. Celui-ci n'est donc plus soumis à des efforts de pilonnement et n'exerce pas d'efforts de cisaillement dans son logement à l'interface élément de fixation-ciment (cas du scellement) ou à l'in- terface élément de fixation-corticale (cas de l'ancrage biologique). L'absence de cisaillement constitue un fac- teur de longévité du scellement cimenté et permet une réhabitation cellulaire dans les meilleures conditions pour l'ancrage biologique. On notera encore que la marge de coulissement de l'élément articulaire permet, tout en assurant en permanence la fonction d'appui physiologique, de rattra- per des écarts de positionnement de l'élément de fixation ainsi que, ce dernier élément étant fixé, de possibles déplacements de la surface de la partie sectionnée. La prothèse conforme à l'invention peut être réalisée en tout matériau capable d'être implanté, suppor- tant les sollicitations mécaniques liées à la fonction de la prothèse, et parfaitement toléré par le système bio- logique dans lequel elle est implantée. Des matériaux susceptibles de convenir sont, comme connu en soi, des alliages métalliques forgés, des métaux tels que le tita- ne, des céramiques d'alumine,... Dans le cadre de la présente invention, la pro- thèse est avantageusement réalisée en un matériau compo- site du type carbone-carbone qui remplit les conditions énumérées ci-dessus et, de plus, a un module d'élastici- té proche de celui de l'os. Un tel matériau est utilisé à l'heure actuelle pour ses propriétés thermiques, ses qualités mécaniques aux fortes températures et pour ses caractéristiques d'usure (tuyères de propulseurs à poudre et disques de freins notamment). Sa fabrication est réa- lisée par des procédés connus en eux-mêmes qui comportent les étapes de fabrication d'une texture de renfort et de formation d'une matrice de carbone au sein de la texture. La texture de renfort peut être uni, bi ou tridimension- nelle; elle est réalisée à partir de fibres, de tissus, de fils ou de baguettes de carbone;la matrice est obtenue par imprégnation de la texture par un brai ou une résine c o k é f i a b l e s suivie d'une pyrolyse, ou par dépôt de carbone en phase vapeur (par craquage d'un gaz hydro- carbure), ou p a r combinaison de ces deux procédés, la densification de la matrice nécessitant plusieurs phases successives. Lorsque cela est nécessaire, la prothèse con- forme à l'invention peut être complétée par un élément destiné à recevoir l'élément articulaire, en particulier une cupule hémisphérique destinée à recevoir la tête sphérique de l'élément articulaire dans le cas, notamment, d'une articulation de hanche. Cet élément d'articulation supplémentaire peut être réalisé avec le même matériau que celui employé pour les autres éléments de la prothèse. Il est aussi possible d'utiliser, pour l'élément d'articu- lation supplémentaire, un matériau différent, par exemple une matière plastique polyéthylène haute densité qui re- couvre alors aussi l'élément articulaire coopérant avec cet élément d'articulation supplémentaire. D'autres particularités et avantages de la pro- thèse d'articulation conforme à l'invention ressortiront mieux à la lecture de la description faite ci-après, à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux des- sins annexés sur lesquels: - les figures 1 et 2 sont des vues en perspec- tive de deux modes de réalisation d'une prothèse de han- che conforme à l'invention, - les figures 3 et 4 sont des vues schématiques en coupe illustrant l'implantation des prothèses repré- - sentées respectivement sur les figures 1 et 2, et - la figure 5 est une vue schématique partielle en coupe suivant la ligne V-V de la figure 3. La prothèse d'articulation 1 représentée sur les figures 1, 3 et 5 est constituée d'un élément de fi- xation 10, présentant, à une extrémité, un embout 11, d'un élément articulaire 20 coulissant sur l'embout 11 et d'un élément séparé d'articulation en forme de cupule 30 uniquement représenté sur la figure 1) pouvant rece- voir la tête sphérique 21 de l'élément 20. L'élément de fixation 10 comporte une tige 12 destinée à être insérée dans un logement 2 formé dans la diaphyse 3 d'un fémur 4 après résection de la tête de fémur naturelle 5 (représentée en traits mixtes sur -5- la figure 3). L'embout il fait saillie sur la face d'extrémité supérieure de la tige 12. On notera que l'élément 10 ne comporte pas de rebord d'arrêt limitant son enfoncement dans le logement 2. Le rebord 13 de la tige 12, au niveau du raccordement avec l'embout Il se trouve légèrement en- dessous et parallèle au rebord plan supérieur 6 de la par- tie sectionnée, et l'embout Il se raccorde sur le rebord 13 à l'intérieur du pourtour de celui-ci. L'embout 11 présente une forme cylindrique d'axe 14 perpendiculaire aux rebords 13 et 6 et est muni, à sa base, d'un renforcement 15 en forme de demi-disque dont les faces sont perpendiculaires au rebord 13. Un trou trans- versal d'extraction 19 traverse le renforcement 15 pour permettre d'y introduire un axe afin d'extraire la tige 12 de son logement si cela est nécessaire. En l'absence du trou 19, la préhension de la tige 12 par le seul embout 11 ne serait pas aisée. L'élément articulaire 20 comporte une embase tronconique 22 en forme de jupe dont le diamètre décroit depuis sa face inférieure 23 jusqu'à son raccordement avec la tête sphérique 21. Un logement 24 est formé dans l'élément 20 pour permettre à celui-ci de coulisser sur l'embout 11 parallèlement à l'axe 14, tout autre mouve- ment relatif entre l'élément 20 et l'embout 11 étant in- terdit. A cet effet, le logement 24 comprend un évidement en forme de demi-disque coopérant avec le renforcement 15 pour verrouiller l'élément articulaire 20 en rotation au- tour de l'axe 14. L'évidement 25 est prolongé par un trou borgne 26 recevant l'extrémité cylindrique 16 de l'embout il de manière à guider l'élément articulaire 20 en trans- lation parallèlement à l'axe 14. La face inférieure 23 de l'élément 20 est perpendiculaire à l'axe du logement 24 et forme le rebord inférieur d'appui de l'élément ar- ticulaire. Ainsi, lorsque l'élément 20 est en place, la face d'appui 23 est en appui total sur la surface 6 de la partie sectionnée,perpendiculairement à l'axe de coulissement 14. - 6 - Deux encoches 29 sont formées dans le bord infé- rieur de l'embase 22 en des emplacements diamétralement opposés pour pouvoir être placées au niveau des orifices de sortie du trou 19. La tête sphérique 21 forme, avec la cupule 30, l'articulation proprement dite et transmet les efforts à l'os 4. Les dimensions et formes extérieures de la tige 12, de l'élément articulaire 20 et de la cupule 30, ainsi que l'orientation par rapport à l'os de la surface de résection 6 et de l'axe 14 sont déterminées notamment par des considérations anatomiques et sont connues. Ces caractéristiques sont illustrées sur les dessins et ne forment pas partie de l'invention. Dans le cas illustré par les figures 1,3 et 5, la prothèse 1 est scellée dans le logement 2 au moyen d'un ciment 7 (figure 3). Selon un autre mode de réalisation de la pro- thèse conforme à l'invention (figures 2 et 4), l'élément de fixation 10 peut être fixé par ancrage biologique. La prothèse représentée par les figures 2 et 4 ne diffère de celle représentée par les figures À, 3 et que par la forme de la tige 12 à sa partie supérieure (les éléments correspondants de ces deux prothèses por- tent sur les dessins les mêmes numéros de référence). Comme on peut le voir plus particulièrement sur la figure 4, la tige 12 présente un renflement 17 à sa partie supérieure. Le rebord 13 est ainsi agrandi d'un côté de l'élément 10, ce qui permet de percer dans ce rebord un trou 18 traversant le renflement 17. Lorsque la tige 12 est mise en place dans le logement 2, elle peut y être immobilisée de façon temporaire au moyen d'une vis qui est vissée dans l'os 4 à travers le trou 18. Lorsque la réhabitation osseuse le long de la tige 12 est terminée, cette vis peut éventuellement être retirée. -7- Comme on peut le voir sur la figure 4, un effort F appliqué sur la tête sphérique 21 peut être décomposé en une composante Fl parallèle à l'axe 14 et une composan- te F2 perpendiculaire à cet axe. La composante Fl est équilibrée par la réaction R1 du bord de résection 6 de la diaphyse sur le rebord 23 de l'élément articulaire. Il est important de noter que la tige 12 est mise en place de manière que son rebord 13 se trouve à une distance e sous le niveau de la surface 6, la distance e étant comprise entre environ 1 et 3 mm. D'autre part, si x désigne la dimension mesurée parallè- lement à l'axe 14 entre la surface 23 et le raccordement de l'évidement 25 avec le trou cylindrique 26 et si y dé- signe la dimension mesurée de la même façon entre le re- bord 13 et le raccordement entre le renflement 15 et la partie cylindrique 16, il est important que x et y véri- fient la relation x> y - e. Ainsi, d'une part, l'appui total du rebord 23 sur la surface 6 ne risque-pas d'être gêné par le rebord 13 même dans le cas d'un léger affais- sement de la surface de résection 6 et, d'autre part, au- cun effort axial n'est transmis par contact entre la sur- face de l'évidement 25 et le renflement 15. La reprise des efforts axiaux Fl est ainsi assurée entièrement par la réaction RM. On notera toutefois que l'on peut confé- rer au montage de l'élément articulaire sur l'embout 11 une fonction amortissante en plus de la fonction coulis- sante. Ainsi, le fluide physiologique emprisonné entre l'extrémité de l'embout 11 et le fond du logement 24 sert de tampon, par laminage dans le jeu diamétral autour de l'embout 11; une partie des efforts d'appui peut être ainsi transmise à la tige dans le cas d'un choc brutal appliqué à l'articulation, l'élément 20 pouvant venir à l'extrême limite en butée sur le renflement 15. La composante F2 crée un moment de basculement -équilibré par un jeu de réactions R2, R'2 réparties le long de la tige 12. - 8 - Comme indiqué plus haut, on pourra utiliser un matériau composite carbone-carbone pour réaliser les dif- férents éléments de la prothèse. A titre d'exemple, une prothèse conforme à l'invention a été fabriquée comme suit. Le matériau de l'élément de fixation 10 a été fabriqué à partir d'un empilement de strates de tissu de carbone dont les fibres sont liées entre elles par un dé- pôt de pyrocarbone déposé chimiquement en phase vapeur par craquage d'un hydrocarbure gazeux comme connu en soi. L'opération est réalisée dans un four à une température supérieure à 1000 C et:sous vide. La préforme est densi- fiée, à partir d'une carcasse sèche de départ de densité égale environ à 0,8 jusqu'à l'obtention d'un composite de densité égale environ à 1,8. Cette densification est réa- lisée en plusieurs cycles d'infiltration-écroutage, l'é- croutage consistant à éliminer la partie périphérique du produit pour faciliter la pénétration gazeuse à coeur lors de l'infiltration suivante et pour amener le produit pro- che de sa forme définitive. La densification terminée, l'élément de fixation est usiné à la forme voulue. Un re- vêtement final de pyrocarbone est formé sur l'élément de fixation, notamment en surface, pour lui conférer de bon- nes résistances à l'usure età l'agressivité du milieu physiologique tout en assurant la compatibilité biologique avec les tissus environnants. Un autre mode de réalisation peut être adopté pour l'élément articulaire 20 et la cupule 30. Le matériau est alors par exemple construit à partir d'une structure formée par l'enchevêtrement de baguettes rigidifiées de fibres de carbone constituant quatre faisceaux orientés parallèlement aux quatre grandes diagonales d'un cube (un matériau de ce type est décrit dans le brevet fran- çais no 2 276.916). La structure ainsi obtenue est densi- fiée dans les mêmes conditions que le matériau de l'élé- ment de fixation après une éventuelle réduction initiale -9- de la porosité (par exemple par dépôt d'une charge carbo- née). L'élément articulaire 20 et la cupule 30 sont usi- nées dans la masse du bloc densifié. Un dépôt de cérami- que sous forme de carbure de silicium est infiltré en phase gazeuse dans la porosité de surface de l'élément articulaire et de la cupule, au moins dans leurs parties articulaires en contact mutuel, jusqu'à saturation d'une couche homogène de 100 à 500 pm d'épaisseur. Un rodage des parties sphériques en regard s'effectue à l'aide des techniques utilisées pour le polissage des céramiques frittées. Le montage de la prothèse est complété par ajus- tage du jeu de coulissement de la tête sphérique sur l'embout correspondant de la tige. Bien entendu, diverses modifications et adjonc- tions pourront être apportées aux modes de réalisation décrits ci-dessus d'une prothèse conforme à l'invention sans pour cela sortir du cadre de protection défini par les revendications annexées. - 10 - REVENDICATIONS 1.- Prothèse d'articulation comportant un élé- ment de fixation destiné à être fixé dans un logement prévu dans une structure osseuse et un élément articu- laire disposé à une extrémité de l'élément de fixation et muni d'un rebord qui est susceptible de venir en butée sur le rebord de l'ouverture dudit logement lors de la mise en place de l'élément de fixation dans celui- ci, prothèse caractérisée en ce que l'élément de fixation est dépourvu de rebord d'arrêt à l'enfoncement et l'élé- ment articulaire est monté sur l'extrémité de l'élément de fixation pour pouvoir coulisser par rapport à celui- ci dans une direction sensiblement perpendiculaire à la surface contenant le rebord inférieur de l'élément arti- culaire, de manière à permettre un appui permanent dudit rebord sur le bord de la structure osseuse entourant le logement de l'élément de fixation après fixation de celui- ci dans son logement. 2.- Prothèse selon la revendication 1, caracté- risée en ce que l'élément articulaire comporte un loge- ment dans lequel est engagé parallèlement à la direction de coulissement un embout prévu à ladite extrémité de l'élément de fixation 3.- Prothèse selon la revendication 2,"carac- térisée en ce que ledit embout comporte une partie ver- rouillant l'élément articulaire en rotation autour d'un axe parallèle à la direction de coulissement. 4.- Prothèse selon l'une quelconque des reven- dications 2 et 3, caractérisée en ce que ledit embout fait saillie sur une face d'extrémité d'une tige de fixa- tion et se raccorde sur cette face à l'intérieur du pour- tour de cette face. 5.,- Prothèse selon la revendication 4, caracté- risée en ce qu'un trou pour un organe de fixation est per- cé dans le rebord de ladite face d'extrémité d'o fait saillie l'embout. - il - 6.- Prothèse selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 5, caractérisée en ce qu'un trou transver- sal est formé dans ledit embout. 7.- Prothèse selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 6, caractérisée en ce qu'au moins un de ses éléments constitutifs est en un matériau composite du type carbone-carbone. 8.- Prothèse selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 7, caractérisée en ce que l'élément de fixa- tion est en un matériau composite carbone-carbone muni d'un revêtement de pyrocarbone. 9.- Prothèse selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 8, caractérisée en ce que l'élément articu- laire est en un matériau composite carbone-carbone muni au moins dans sa partie articulaire d'un revêtement de céramique.