Interface tête-insert

C’est le couple de frottement que nous n’aborderons qu’indirectement mais qui est un élément incontournable. Ce couple a été par ailleurs récemment parfaitement documenté [7,8,48,56].

L’évolution vers de plus grands diamètres de tête, avec pour objectif une meilleure stabilité de la hanche prothétique et un risque moindre d’effet came, n’est pas sans conséquence au niveau des interfaces plus externes. Il y a augmentation des contraintes au niveau du couple de frottement, avec des conséquences directes sur la lubrification, mais également au niveau de l’interface implant-os, d’où la nécessité de pouvoir disposer d’une ostéo-intégration plus forte capable de résister à un couple d’entraînement plus important. On n’oubliera pas que la tête de 22 mm de J. Charnley, avant même de répondre à l’impératif de la « basse friction » en face de la cupule polyéthylène scellée, avait pour objectif de réduire les contraintes à l’interface polyéthylène-os lorsque J. Charnley cherchait à stabiliser sans ciment son implant cotyloïdien.

Insert

Le choix d’un plus grand diamètre de tête impose une épaisseur moindre de l’insert. Ce n’est pas sans conséquence, en particulier pour les inserts en céramique et polyéthylène. Rappelons que la législation française est la plus restrictive dans ses directives sur l’épaisseur des inserts en polyéthylène pouvant être commercialisés (8 mm ; une tolérance de 6 à 7 mm admise avec les polyéthylènes hautement réticulés). Les épaisseurs minimales de céramique sont descendues à 4,5 mm avec les céramiques d’alumine type Biolox® Forte ; il n’est pas certain que les céramiques composites autoriseront des épaisseurs moindres.

Il existe des inserts à couple de frottement dur-dur avec polyéthylène sandwich : cette configuration introduit une interface supplémentaire et impose d’en rester à de plus petits diamètres de tête, avec risque d’effet came. L’effet came est d’ailleurs évoqué comme primum movens dans les désinsertions et ruptures d’insert [22,44]. Même si les différents systèmes d’encliquetage du polyéthylène dans la cupule ont été améliorés, permettant à l’usure de la face cachée du polyéthylène de ne pas être importante [39], il s’agit d’une véritable cause d’ostéolyse, donc d’une vraie préoccupation [30,73].

Interface insert-cupule

Quel que soit le type d’insert, l’objectif est d’obtenir un insert stable dans la cupule. Or, il semble difficile de pouvoir introduire dans une cupule unique tous les inserts disponibles.

On comprend aisément les multiples raisons qui conduisent les industriels à mettre à la disposition du chirurgien une unique cupule capable de recevoir tous types d’insert ; mais l’étude des contraintes qui s’appliquent à un insert, à une cupule et à un cotyle ne peut que nous conduire à mesurer le compromis que réalise une telle possibilité. En effet, l’insert « mou » sera au mieux stabilisé dans une cupule peu épaisse et déformable alors qu’un insert « dur » sera au mieux stabilisé dans une cupule très rigide, donc plus épaisse. Un insert en polyéthylène sera d’autant plus stable que fixé dans une structure dont il épousera la concavité et où la contre-pression de l’impaction améliorera la tenue de l’insert. Celui-ci, d’épaisseur maximale pour le diamètre considéré, se dilatera, comme le lui impose un coefficient de dilatation qui le fait passer de 22° (stockage) à 37° (implantation) puis à des températures beaucoup plus élevées [4] lors de l’activité physique. Les systèmes d’encliquetage des inserts en polyéthylène sont multiples ; les inserts qui se vissent dans la cupule semblent d’un maniement difficile mais apportent des résultats satisfaisants [69].

Les inserts « durs », quant à eux, seront au mieux stabilisés dans une cupule très rigide. Celle-ci va protéger l’insert en céramique des contraintes en cisaillement et en flexion et l’insert métallique d’une déformation qui irait au-delà des tolérances de sphéricité et ne manquerait pas de conduire aux problèmes du métal-métal de première génération, responsables des échecs de la configuration de McKee quand il proposait son couple face à celui de Charnley.

Quant à la fixation d’un insert céramique ou métallique dans une cupule par l’intermédiaire d’un cône morse, le principe du cône morse reste applicable : plus l’angle du cône est faible, meilleure est la tenue, mais plus le positionnement de l’insert est difficile, avec un risque de libération d’ions métalliques pour le métal ou de malposition à risque fracturaire pour la céramique. Différents systèmes sont actuellement proposés pour pallier cette complication : impaction de l’ensemble cupule-insert préassemblé en usine ou insert céramique dans une pièce intermédiaire métallique : ces systèmes doivent faire la preuve de leur efficacité et de leur absence de complication spécifique. Mais la céramique et le métal ne répondant pas de façon identique lors de leur impaction sur un cône morse, il est impossible d’optimiser pour les deux inserts le traitement de surface interne de la cupule. Le métal, si les microsillons sur les deux surfaces sont identiques, va conduire à une véritable soudure à froid des deux pièces ; il n’est pas possible d’usiner de la même façon des inserts en céramique qui ont un profil plus lisse et ne peuvent aboutir au même type de soudure.

Cupule

Les cupules sont aujourd’hui usinées en alliage de titane pour la majorité d’entre elles. Leur dessin et leur rigidité (mais on verra qu’il faut également prendre en compte leur revêtement) sont les éléments qui assurent leur stabilité primaire, que l’on sait exclusivement mécanique et gage d’une bonne ostéo-intégration secondaire.

On distingue :

• • les cupules rigides vissées tronconiques ou hémisphériques : elles ont été les premières à montrer qu’un traitement de surface était indispensable à une ostéo-intégration secondaire [15] ; elles sont utilisées plus fréquemment par nos confrères germanophones [61] ;
  
• • les cupules élastiques impactées : la stabilité primaire est assurée par l’expansion de la cupule sous la pression de l’insert. Les travaux les plus récents semblent montrer que les résultats de ces implants sont directement liés à l’épaisseur du polyéthylène, mais le concept lui-même inspire des réserves. Il n’est pas certain que l’impaction de l’insert permette à la cupule de récupérer sa forme initiale, la déformation étant alors reportée sur l’insert avec un serrage de la tête dans l’insert, responsable d’usure anormale ;
  
• • les cupules rigides impactées : les plus posées, elles sont de forme hémisphérique ou elliptique, avec souvent une possibilité de vissage de principe ou de nécessité. Ces cupules posent le problème de leur déformabilité, d’une part à l’impaction, d’autre part lors de la mise en place de l’insert, enfin lors de la mise en charge. Moins la cupule est rigide, plus elle est susceptible de suivre les déformations élastiques du cotyle, mais plus elle est déformable avec les risques spécifiques des inserts des couples dur-dur [62] : déformation à l’équateur conduisant à la mise en place de l’insert sous contrainte. Le vissage, quant à lui, rigidifie le système et ajoute une interface ; il modifie la circulation des fluides et offre un chemin de migration aux débris d’usure [65,75]. Il paraît légitime d’obturer les orifices de vissage (ou de préhension) non utilisés [67]. Le vissage n’expose à aucune complication particulière [36] tant que la cupule est stable, mais majore la perte du capital osseux en cas de migration de la cupule, avec risque de fracture des vis et de conflit tête de vis-insert.

La stabilité de la cupule impactée repose sur le principe de la précontrainte, c’est-à-dire sur l’existence au niveau de l’interface os-implant d’une pression supérieure aux forces déstabilisantes, ici en rotation soit autour de l’axe polaire, soit autour de l’axe équatorial. Le travail du cotyle à la fraise conduit à un cotyle hémisphérique. Théoriquement, au cotyle, la cupule elliptique (surdimensionnement équatorial et aplatissement polaire) réalise la forme la plus achevée de la précontrainte, comme l’a démontré E. Morscher [77]. Une cupule hémisphérique, donc théoriquement impactée sans précontrainte, nécessite des moyens complémentaires de fixation car sans ceux-ci, elle n’aurait pas la stabilité primaire nécessaire à l’ostéo-intégration et pour s’opposer aux forces de cisaillement dues aux déformations de l’acétabulum lors de la marche.

En fait, il semble probable que ces théories relèvent plus de l’aide à la compréhension d’une méthode de pose qu’à une réalité.

Si on étudie le dessin des cupules disponibles, il apparaît qu’elles comportent toutes une authentique précontrainte équatoriale et ce, indépendamment de leur désignation hémisphérique ou elliptique. Différents artifices permettent d’obtenir cette précontrainte : le troncage polaire, le rayon variable du dôme, la couronne équatoriale dont le diamètre est supérieur au diamètre nominal de la cupule. Dans tous les cas, l’effet recherché est le même : favoriser la déformation plastique de l’acétabulum au niveau de l’équateur. Ceci permet de s’opposer à la déformation des colonnes antérieure et postérieure et de maintenir une contrainte sur la cupule, de façon d’autant plus efficace que le volume global de l’implant s’inscrira dans un hémisphère osseux complet, avec une face de contact à l’équateur, où la tangente à la cupule est pratiquement orthogonale à cet équateur.

Et il est parfaitement impossible de mettre en avant l’un ou l’autre de ces dessins : impacter une cupule dans le cotyle d’un homme de 50 ans pour nécrose de tête fémorale ne nous place pas dans les mêmes conditions d’adaptabilité de l’os à l’implant que d’impacter la même cupule dans le cotyle d’une femme de 75 ans. Les valeurs de précontrainte acceptables ne sont bien sûr pas les mêmes dans les deux cas, avec probablement une distribution des forces d’impaction entre déformation osseuse plastique et enfoncement osseux. Notons que les industriels mettent à notre disposition des cupules dites elliptiques, avec orifices de vissage optionnels, et des cupules dites hémisphériques, sans possibilité de vissage complémentaire. Enfin, une rapide enquête auprès de chirurgiens confirmés fait apparaître qu’ils sont nombreux à utiliser un vissage complémentaire « de sécurité » sur des cupules qu’ils pensent stables dès l’impaction.

Interface cupule-revêtement

Cette interface répond à des normes très strictes qui imposent une maîtrise de la technologie de fixation du revêtement sur la cupule. Une norme ASTM (American Standard Testing Material) définit un minimum de solidité de cette interface, mais il existe une grande disparité entre les fabricants qui distribuent des implants largement au-dessus de cette norme et ceux qui ont du mal à l’atteindre.

Revêtement

Avant application du revêtement, la face externe des cupules est sablée, par microbillage ou corindonage, ce qui conduit à un effet de précontrainte du métal autorisant un traitement de surface qui ne déformera pas la cupule.

Les revêtements ont longtemps été « ouverts » à la pénétration osseuse : c’est l’ostéo-intégration par « in-growth » des revêtements type microbilles ou treillage (figure 1). Aujourd’hui, le revêtement le plus répandu est le « plasma spray » de titane pur qui conduit à une ostéo-intégration de type « on-growth » (figure 2). C’est le torchage, par un gaz plasma de poudre de titane, à haute température et à haute pression, sur le revêtement d’alliage de titane.

Figure 1 Revêtement type treillage autorisant une ostéointégration « in-growth ».

Figure 2 Revêtement type plasma-spray de Titane autorisant une ostéo-intégration « on-growth ».

Le titane pur est, en dehors du tantale, le matériau le plus performant pour faciliter l’ostéo-intégration (sa biotolérance et sa vitesse d’ostéo-intégration le placent devant les aciers, le chrome-cobalt et les alliages de titane). De la géométrie du revêtement dépendent sa porosité et sa rugosité, et c’est la combinaison porosité-rugosité maximale qui favorisera l’ostéo-intégration la plus rapide et de meilleure qualité. La taille des cavités doit se situer entre 50–80 et 300–400 μm. L’épaisseur du plasma de titane varie de 30 à 300 μm, avec une porosité inférieure à 20 % et une rugosité moyenne de rapport moyen de rugosité (Ra) de 10 μm ou moyenne des amplitudes (Rz) de 30 μm. La rugosité du revêtement participe également à l’amélioration de la stabilité primaire : là, également, le « plasma spray » de titane pur a une meilleure « accroche » que les revêtements « ouverts » de type microbillage ou treillage dont le Ra est inférieur.

Ce revêtement peut être doublé d’un revêtement d’hydroxyapatite (HAP) le plus souvent par ce même procédé de torche à plasma. On sait qu’il s’agit d’un revêtement bioactif ostéoconducteur qui facilite, dans le temps et dans l’espace, l’ostéo-intégration des implants. L’épaisseur d’HAP varie de 80 à 150 μm ; elle est appliquée de préférence sur un matériau non poreux car elle risque de modifier la porosité d’un matériau poreux (figure 3). Même si, en faisant varier les caractéristiques physicochimiques de la poudre et les paramètres techniques de la projection, on peut adapter le revêtement aux spécificités d’une cupule (précocité de la bioactivité, vitesse de résorption), l’intérêt de l’HAP reste discuté. En effet, la qualité de l’os exposé par la préparation d’un cotyle et la congruence anatomique os-cupule n’impose pas forcément un processus d’ostéo-intégration supplémentaire ; mais l’intérêt de l’HAP réside peut-être plus dans le fait qu’il semble permettre une restriction plus importante de l’« effective joint space » [68].

Figure 3 Revêtement « plasma-spray » de Titane et HAP.

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