UHMWPE : Polyéthylène à ultra-haut poids moléculaire
XLPE : polyéthylène réticulé
Ces deux matériaux sont largement utilisés dans Remplacement articulaire Les implants comme interfaces de friction. Aujourd'hui, je vais examiner plus en détail leurs propriétés matérielles, leurs avantages et leurs inconvénients. Voyons si vous avez fait le bon choix pour une utilisation clinique.
- Que sont le UHMWPE et le XLPE ?
Le polyéthylène à ultra-haut poids moléculaire (UHMWPE) traditionnel est produit par polymérisation de l'éthylène en poudre fine, puis par des procédés tels que le moulage par compression ou l'extrusion à piston à haute pression et à haute température de fusion. L'UHMWPE utilisé dans les implants articulaires subit souvent une irradiation à faible dose pour la stérilisation.
Le polyéthylène réticulé (XLPE) est une forme modifiée de polyéthylène à ultra-haut poids moléculaire (UHMWPE). La dose d'irradiation pour les matériaux de revêtement en polyéthylène hautement réticulé se situe généralement entre 50 et 100 kGy. Après irradiation, le matériau est soit chauffé au-dessus de sa température de fusion (135 °C), soit recuit en dessous de cette température. Dans cet article, le terme « polyéthylène hautement réticulé » désigne le XLPE produit dans ces conditions de traitement spécifiques.
- Performances mécaniques : UHMWPE vs XLPE
La réticulation augmente la densité du PE, améliorant ainsi sa résistance à l'usure. Cependant, les propriétés mécaniques du polyéthylène fortement réticulé peuvent être altérées par l'augmentation de la densité de réticulation, et les traitements ultérieurs peuvent également affecter ces propriétés, notamment la résistance à l'oxydation.
Performances en traction quasi-statiques
Les recherches de Gomoll et al. ont montré que, pour un degré de cristallinité donné, une réticulation élevée dans le polyéthylène entraîne une diminution du module, de la résistance à la rupture et de la ductilité (la ductilité est liée à la déformation à la rupture) (Tableau 1, surlignages bleus).
Tableau 1 : Propriétés physiques du polyéthylène à ultra-haut poids moléculaire à différentes doses de rayonnement
Les propriétés mécaniques sont déduites des courbes contrainte-déformation réelles, tandis que la ténacité à la rupture est déterminée à l'aide de la méthode de l'intégrale J de Rice et Sorenson.
Résistance à la rupture
Les recherches de Gencur et al. [3] démontrent une corrélation linéaire entre la dose de rayonnement et la ténacité à la rupture (Figure 2), les fortes doses de rayonnement gamma réduisant considérablement la ténacité à la rupture du polyéthylène hautement réticulé.
Gomoll et ses collègues[2] ont constaté qu'à de faibles doses (≤50 kGy), la réticulation augmente la ténacité à la rupture, tandis que le polyéthylène hautement réticulé présente une rupture spontanée et instable après avoir atteint JIC (Tableau 1, mis en évidence en rouge).
Résistance à la propagation des fissures de fatigue
Baker et al. [4,5] ont constaté que la valeur initiale de propagation de fissure, ΔKincep, diminue avec l'augmentation de la dose de réticulation. Dans le XLPE à une dose de 200 kGy, ΔKincep diminue de 61 % par rapport à l'UHMWPE, ce qui indique qu'une réticulation élevée a un effet néfaste sur la résistance à la propagation des fissures de fatigue (tableau 2, en surbrillance bleue).
Tableau 2 : Données sur la propagation des fissures de fatigue pour le polyéthylène à haut poids moléculaire et le polyéthylène réticulé
- Comment choisir entre l'UHMWPE et le XLPE ?
Le polyéthylène réticulé (XLPE) a démontré une excellente résistance à l'usure lors des arthroplasties totales de la hanche (ATH), grâce à sa résistance exceptionnelle à l'abrasion et à l'adhérence. Ceci a conduit à l'adoption récente du polyéthylène hautement réticulé (XLPE) dans les ATH. Prothèse de genou (TGR) chirurgie.
Mais l’efficacité de la réticulation se transpose-t-elle à la TKR ? La recherche [6] suggère que cela dépend en grande partie des types de mouvements et de contraintes impliqués dans le roulement en polyéthylène.
Contrairement à l’articulation sphérique à haute congruence observée dans la PTH (avec son usure abrasive et adhésive unique), la congruence des surfaces articulaires fémoro-tibiales dans la PTG est relativement plus faible, impliquant davantage de mouvements de glissement et de roulement, comme illustré sur la figure 3.
A) La zone de contact à l'intérieur de l'articulation génère une contrainte de compression le long de la surface de l'insert, perpendiculaire à la surface de l'implant du condyle fémoral.
B) Lorsque le point de contact se déplace, une nouvelle zone de contact se forme, créant une zone de contrainte de compression correspondante.
C) Le mouvement alternatif des points de contact génère une contrainte de traction cyclique sous la surface du joint d'insertion.
Sur la base des principes biomécaniques mentionnés ci-dessus et compte tenu des caractéristiques du matériau, on peut observer que si le polyéthylène hautement réticulé (XLPE) est utilisé comme matériau d'insert dans l'arthroplastie totale du genou (ATG), les problèmes potentiels peuvent inclure la formation de piqûres, le délaminage et la concentration des contraintes conduisant à des fractures de l'insert.
Scénario 1 :
La contrainte de traction au bord de l'insert en polyéthylène et la contrainte de cisaillement superficielle dans la zone de contact peuvent entraîner la formation de piqûres et le délaminage de l'insert. La réticulation, en revanche, peut réduire la résistance à la propagation des fissures, augmentant ainsi le risque de rupture par usure par fatigue de l'insert. Cette situation est illustrée à la figure 4.
La flèche de gauche indique des fissures et un début de délaminage sous la surface de l'insert. La flèche de droite montre une zone de délaminage au centre de l'insert.
Scénario 2 :
Lorsque la charge sur le pilier tibial et le pourtour de l'insert augmente, une usure se produit dans cette zone. La faible résistance à la fatigue et la ductilité du XLPE accroissent sa sensibilité à ce type d'endommagement de l'insert. Dans les cas extrêmes, cela peut entraîner des conséquences graves telles que la fracture du pilier tibial et du bord de l'insert, comme illustré sur la figure 5.
La réticulation réduit l'usure abrasive et adhésive des polyéthylènes hautement réticulés (PEHR). Cependant, elle ne semble pas réduire les risques de propagation de fissures, de déformation, de piqûres et de délaminage fréquemment observés dans les prothèses totales de genou (PTG). La diminution de la ténacité, de la ductilité et de la résistance à la fatigue des PEHR peut entraîner la défaillance des inserts de PTG à plateau fixe. Par conséquent, l'utilisation du polyéthylène hautement réticulé dans les PTG reste sujette à caution.
Alors, comment choisir entre ces deux matériaux ? Consultez le tableau ci-dessous pour plus de détails.
Tableau 3 : Sélection optimale recommandée des matériaux d’insert pour différents scénarios
Le système de prothèse de genou Gass propose une gamme d'inserts en polyéthylène, moulés par compression à partir de polyéthylène à ultra-haut poids moléculaire (UHMWPE) importé d'Allemagne. Ceci garantit une excellente résistance à l'usure abrasive et adhésive, ainsi qu'une résistance supérieure à la fatigue.
Références
