title: Les paradoxes du couple céramique d'alumine sur céramique d'alumine des prothèses totales de hanche : Frottement, vibrations, fracture, squeaking et problèmes biomécaniques. Plaidoyer pour une analyse scientifique pluridisciplinaire
Creators: name: CHABOCHE, Patrick
Publisher: name: Académie Nationale de Chirurgie
Year: 2017

description: Introduction : le but de cette analyse est d'apporter des explications plausibles les deux complications majeures, fracture et squeaking de ces couples et d'en comprendre la signification exacte.
Matériel et méthodes : nous avons comparés les résultats cliniques et données expérimentales, déjà connues dans notre domaine chirurgical et en industries, aux sciences physiques et mécaniques pour expliquer le comportement au niveau macro, micro et nanoscopique ainsi que leurs paradoxes.
Résultats : les instabilités mécaniques sont le facteur le plus pertinent pour comprendre les faits rencontrés. Dans notre domaine elles correspondent macroscopiquement à un choc au contact du à des excentrations macroscopiques mécaniques et dynamiques déjà bien connues. Au sens large (en sciences physiques) un choc mécanique à également lieu lorsqu'une force, une position, une vitesse ou une accélération est brusquement modifiée. Au niveau microscopique la reprise de contact normal se fait sur une très faible surface où la lubrification chassée est donc absente d'où des contraintes très élevées. L'impact au contact est suivi de frottement de type adhérence -glissement (stick-slip). C'est ce phénomène de stick-slip qui est responsable parfois de squeaking. En analyse thermodynamique et de diffusion d'énergie, lorsqu'un système reçoit plus d'énergie qu'il ne peut en diffuser localement, il devient instable. Au niveau nanoscopique et de l'atome, de l'énergie thermique apparaît (premier et deuxième principe). Cette énergie se diffuse vers la surface des composants céramiques qui ne déforment pas et créée des bandes d'usure où une partie de l'énergie peut s'accumuler puis conduire à la fracture. Une autre partie se diffuse sous forme d'une onde de vibration auto entretenue qui se poursuit vers les connexions et les parties métalliques. Ces vibrations issues du couple principal s'associent aux contraintes et instabilités elles- mêmes issues au niveau des cols modulaires ou de la jonction col tête. Un fretting peut apparaître avec une usure puis une fracture de la céramique ou de la connexion (col modulaire). Ces connexions sont autant de couples mécaniques « accessoires » qui peuvent compromettent le couple principal. Au niveau fémoral la fréquence propre de vibration du métal peut corresponde à la fréquence de cette onde. Le squeaking est alors cette onde extériorisée du couplage de deux ondes auto entretenues qui diffusent probablement suivant un phénomène non linéaire.
Discussion : cette analyse a permis de coordonner les différents niveaux d'échelle dans une vision globale qui seule peut permettre une complète compréhension face au contact et au frottement.
Conclusion : les qualités actuelles des céramiques d'alumine quasi pure ou renforcées et l'excellente qualité de fabrication ont permis de vaincre en grande partie le seuil de rupture sous réserve de connexions associés parfaites. Par contre le squeaking peut persister car il est dû à des instabilités mécaniques favorisées notamment par les excentrations dynamiques. La compréhension totale dépendra de notre analyse à tous les niveaux d'échelle et de celle des phénomènes non linéaires.

description: ♦	Couple de frottement céramique sur céramique
♦	Prothèse totale de hanche
♦	Friction vibration
♦	Craquement
♦	Biotribologie
♦	Diffusion énergétique
♦	Phénomène non-équilibré et non-linéaire

description: Ceramic on ceramic bearing in Total Hip Arthroplasty (THA) is a favored choice in younger and active patients. Squeaking and fracture are speculated to be related to material properties. How to understand this phenomenon? Firstly we analyze the chemical molecule then the biomechanical and thermo dynamical behavior.
Alumina molecule is Al2O3 pure or Alumina toughened Zirconia. It explains the tribology: hardness and perfect polishing, no chemical and biological reaction, no ion emission, excellent thermal conductivity and lubrication. Adverse effect is:  poor ductility and no deformation with friction-vibration, stick-slip phenomenon, squeaking and fracture. Tribology qualities are in balance with fragility and instability: It is the first paradox.  
Friction induced vibration system (coupling mode) and wear are limited in standard conditions, meaning concentric sliding with lubrication and a close equilibrium system. But THA is not a steady state mechanical system. Eccentric loading can occur randomly because microseparation between head and insert, impingement, edge loading and tensile stress. Consequences are 40 to 80 higher mechanical stresses than in standard conditions. This mechanical unstable system creates strip wear and vibrations into the new small area contact without lubrication, because shock then stick-slip phenomenon before a concentric loading again. A thermo dynamical analysis focuses on the fluctuation-diffusion phenomenon and the balance between kinetic energy and the opposite energy generated by friction. Here friction is entropy and is to diffuse into the system. When this system is unstable and far from disequilibrium (eccentric loading), wear and vibrations are the larger ways to diffuse. Wear is a surface change then energy could be stocked in the fissures as a stored energy then crack propagation. Whereas vibrations and lock- in frequencies fusion could be diffuse outside and sometimes as squeaking and exteriorized energy like a nonlinear system. This duality between stripe wear as stored energy and vibrations as exteriorized energy is the second paradox.
THA is a global mechanical system with metal connexions between ceramic head and taper of the femoral stem and sometimes an intermediate neck. Ceramic insert is linked into a metal cup. From ceramic on ceramic loading friction far from disequilibrium, vibrations and waves spread to metal connexions and mix themselves with mechanical stress created by movement and realize a fretting-corrosion and crevice -corrosion with metal debris and biological reactions. Stem femoral vibrations can create a squeaking when frequencies are similar to metal frequency vibrations. Thus ceramic on ceramic bearing and friction moment can be compromised by the metal links and their locking mechanisms: it is the third paradox. 
Moreover that mechanical system interacts with the biological system, patient activity and behavior. The surgeon operation (positioning and choice) and manufacturing companies are another concern. Finally this complex system should be analyzed in totality.

description: ♦	Ceramics bearings in total hip arthroplasty
♦	Friction vibration
♦	Squeaking
♦	Fracture
♦	Biotribology
♦	Energy diffusion
♦	Non equilibrium and nonlinear phenomenon