Brevet FR2631832A1 — publié le 19891201

La présente invention concerne un procédé pour réduire le coefficient de frottement et l'usure entre une pièce métallique et une pièce à base d'un polymère ou copolymère organique et trouve une appli- cation dans des prothèses articulaires. Les prothèses articulaires comportent géné- ralement deux pièces qui frottent l'une contre l'au- tre. Généralement, au moins l'une de ces pièces est métallique. L'autre est en polymère ou est recouverte d'une couche à base d'un polymère ou copolymère orga- nique. La résistance au frottement et à l'usure du couple est ainsi améliorée. On utilise généralement comme polymère du polyéthylène. Les métaux utilisés sont généralement des aciers inoxydables, des alliages à base de cobalt ou de titane. A la place des métaux, on peut utiliser également d'autres matériaux (céramiques, carbone- carbone, etc.). La présente invention vise à fournir un procédé permettant notamment de réduire le frottement et l'usure entre de telles pièces. A cet effet, la présente invention a pour objet un procédé pour réduire le coefficient de frot- tement et l'usure entre une pièce métallique et une pièce à base d'un polymère ou copolymère organique, caractérisé en ce que l'on fait subir à la pièce à base d'un polymère ou copolymère organique, un trai- tement superficiel par implantation ionique. La présente invention s'applique en parti- culier dans le cas o le polymère est un polyéthylène, tel qu'un polyéthylène haute densité, mais d'autres polymères peuvent être utilisés: polymères basse densité, polymères renforcés (fibres, particules..), etc.. 2 6 3 1 8 3 2 le principe de l'implantation ionique consiste à ioniser une espèce atomique telle que de l'azote, du carbone ou autre, puis à l'accélérer dans un champ électrique à des énergies de 10 à 500 keV, de préférence de 10 à 100 KeV. On opère généralement sous des pressions de -'3 -4 4 x 10 3 10 4 Pa. Dans ces conditions, les ions pénètrent dans la couche à base de polymère ou de copolymére jusqu'à une profondeur qui peut atteindre plusieurs microns. La dose d'implantation est généralement de 14 117 i 2 i4 à 10 ions/cm2 Le compte rendu des essais suivants mettra en évidence l'amélioration obtenue par la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. 1) Implantation ionique de oclvéthvlène haute densité. Le polyéthylene haute densité utilisé est de l'Ertalène HD 1000, (densité 0,94, module d'élasticité de 650 MPa), conforme aux normes ISO 5834/2 et NF S90 - 418. Des échantillons cylindriques (pions) et hémi-sphériques (cupules) de polyethylène ont subi un traitement d'implantation ionique d'azote dans un appareil mis au point et fabriqué par UNIREC. (Robert LEVEQUE et Claude CHABROL, Application de l'implanta- tion ionique dans le domaine de la construction meca- nique, Journées de GAMI les 8 et 9 mars 1988, Paris). L'énergie d'implantation a été de 80 keV. 2) Essais Des essais de frottement entre des pièces en polyéthylène et des pièces métalliques (acier inoxyda- ble conforme aux normes ISO 5832-I-NF S90-401 et. al- liage de titane conforme aux normes ISO 5832-III-NF S90-405 sur deux machines mises au point et fabriquées à l'Ecole Nationale Supérieure des Mines de Saint- Etienne. L'une de ces machines est du type pion-dis- que, l'autre est du type sphère-cupule. (A.PICHAT. J3. RIEU, C.CHABROL, A.RAMBERT, effet de l'implantation ionique sur la résistance à l'usure et à la fatique de matériaux pour applications orthopédiques. Colloque Int. sur les matériaux résistant à l'usure, Bulletin du Cercle d'Etude des Métaux, 19B7, 15-14, p. 9-1). Les essais sont réalisés sur des pièces de qualité orthopédique fabriquées par la société SERF, à Dé'ines. Les conditions d'essais (contrainte, vites- se, environnement sont proches de celles d'une prothè- su de hanche) A titre d'exemple, les résultats obtenus sur le couple sphère en acier inoxydable - cupule en poly- éthylène, sont reportés sur les figures 1 et 2. Les courbes montrent l'évolution couple ré- sistant (Fig.1) et celle du taux d'usure du polyéthy- lène exprimé en perte de mase m (Fig.2), en fonc- tion du temps t et du nombre de cycles N avec: Or 1 - couple PEHD non traité / Acier inoxyda- ble 316L non traité 2 - couple PEHD non traité / Acier inoxyda- ble 316L implanté 3 - couple PEHD implanté / Acier inoxydable 316L non traité 4 - couple PEHD implanté / Acier inoxydable 316L implanté. Ces résultats mettent en évidence qu'en l'absence de toute implantantion, l'usure est impor- tante et qu'en pratique l'implantation du polyethylène seule suffit déjà pour obtenir un meilleur coefficient de frottement et un taux d'usure du polyéthylène nota- blement plus faibles (courbes 3). REVENDICATIONS 1. Procédé pour réduire le coefficient de frottement et l'usure entre une pièce métallique et une pièce à base d'un polymère ou copolymère organi- que, caractérisé en ce que l'on fait subir à la pièce à base d'un polymère ou copolymère organique, un trai- tement superficiel par implantation ionique. 2. Procédé selon la revendication 1, carac- térisé en ce que le polymère est un polyethylène. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, 1i caractérisé en ce que l'implantation ionique est une implantation ionique d azote. 4. Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 3, caractérisé en ce que l'implantation est effectuée avec une énergie de 10 à 100 keV. 5. Prothèse articulaire du type comportant une pièce métallique frottant sur une couche d'un polymère ou copolymére organique, caractérisée en ce que la surface de la couche de polymère organique en contact avec la pièce métallique a été traitée par un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4.