Étude de la lubrification par film comprimé d'une prothèse de genou humain

Abstract

La conception de prothèses articulaires efficaces et durables est basée sur une bonne connaissance du comportement tribologique, des performances des matériaux constituant ces prothèses, et une meilleure modélisation du comportement rhéologique du fluide assurant la lubrification de l'articulation par effet d'écrasement. Le meilleur fluide lubrifiant est celui qui possède des caractéristiques physiques et rhéologiques très proches du fluide synovial naturel dont le comportement est incontestablement nonNewtonien. La configuration géométrique de l’articulation artificielle ou de la prothèse est constituée de deux disques formant les deux premiers corps du tribosystème dont les faces sont parfaitement parallèles séparées par un troisième corps qui peut être soit un film fluide non Newtonien (mécanisme de lubrification HD ou PHD traditionnelle) ou une matrice poreuse imbibée par un fluide Newtonien (nouveau mécanisme de lubrification XPHD bio-inspiré). Trois mécanismes de lubrification de la prothèse ont été investigués : la lubrification hydrodynamique (HD) traditionnelle par écrasement d’un film lubrifiant non Newtonien à couple de contraintes entre deux disques imperméables, la lubrification porohydrodynamique (PHD) par écrasement d’un film lubrifiant à couple de contraintes en présence d’un milieu poreux, et la lubrification ex-porohydrodynamique (XPHD) d’inspiration biomimétique simulant le mode de lubrification réel du joint articulaire. Ce dernier mécanisme constitue une nouvelle solution technologique révolutionnaire en rupture totale avec la solution technologique classique. L’idée essentielle consiste à remplacer les revêtements de surface et le film de fluide mince par une matrice poreuse mince (par exemple, une mousse en polyuréthane) imbibée par un fluide. Le problème de lubrification XPHD est décrit à l’aide d’une seule équation de pression similaire à l’équation de Reynolds dérivée à partir des équations de Darcy-Brinkman et de continuité alors que le problème de lubrification PHD est gouverné par deux équations, à savoir : l’équation de Reynolds modifiée obtenue à partir des équations de mouvement du micro-continuum de V. K. Stokescouplée avec l’équation de Darcy à l’interface film fluide-couche poreuse. La méthode itérative du point fixe avec facteur de sous-relaxation a été utilisée pour trouver une solution du problème de lubrification PHD. L’analyse effectuée dans le cadre de la lubrification PHD a montré que les effets des couples de contraintes dus à la présence de microparticules dispersées dans un solvant permettent d’améliorer d’avantage les performances HD de la prothèse (pression, capacité de charge). Ces effets sont accentués dans le cas d’unfluide hautement concentré ou lorsque le bord du disque poreux est étanche. L’analyse effectuée à charge constante imposée dans le cadre de la lubrification XPHD a permisde mettre en évidencel’efficacité irréfutable du nouveau mode de lubrification XPHD en matière de capacité de charge et du temps d’écrasement largement plus long par comparaison au mode de lubrification traditionnel (PHD).