Fretting corrosion of materials used as orthopaedic implants.
Fretting corrosion de matériaux utilisés comme implants orthopédiques
Résumé
This work aims at understanding hip total joint cemented prostheses degradation by fretting corrosion. 316L stainless steel degradation, the femoral stem is made of this alloy, according to fretting against polymethylmethacrylate (PMMA), model component of bone cement, has been particularly investigated. Two tests types have been carried out: in dry conditions and in Ringer solution close to, from its chlorides concentration, the physiological liquid composition. In a first time, from experimental conditions of displacement and normal load, the fretting map has been drawn for 316L/PMMA contact. This work allows, for sinusoidal displacement with a half amplitude equal to 40 μm and normal loads within the range from 42.5 N to 170 N, to fix gross slip conditions. Then, the fretting study, in dry conditions, between stainless steel and PMMA, exhibits the PMMA wear volume measurements according to dissipated energy. This material is worn contrary to stainless steel that is not worn. Stick slip phenomenon exists during fretting and increases according to the normal load. Due to the PMMA transparency, debris production and transport have been described during fretting experiments. Moreover, PMMA debris infrared analysis, on stainless steel surface, provides interesting findings on PMMA behaviour, i.e. configurations changes. In Ringer solution, a corrosive medium, stainless steel suffers significant degradation during fretting against PMMA and bone cement. During dissolution process at free corrosion potential, protons reduction seems to be added to the oxygen reduction. 316L exhibits a particular ‘W' wear shape. A crevice effect assisted by fretting could explain this particular dissolution. Moreover, dissipated energy changes according to the applied potential. Finally, current analysis shows that cathodic reaction exists inside the contact. Lastly, tests, made in dry and wet conditions, provide wear volumes measurements for PMMA and 316L to expect materials wear.
Ce travail s'inscrit dans la problématique de la dégradation des prothèses de hanche cimentées par fretting corrosion. L'endommagement de l'acier inoxydable 316L, alliage constituant la tige fémorale, par frottement contre du polyméthacrylate de méthyle (PMMA), composé modèle du ciment chirurgical, a été particulièrement étudié. Deux types d'expériences ont été envisagées : à sec et en solution de Ringer voisine, par sa teneur en chlorures, de la composition du liquide physiologique. Dans un premier temps, à partir des conditions expérimentales choisies de déplacement et de force normale, la carte de fretting a été tracée pour le contact 316L/PMMA permettant de fixer des conditions reproductibles de glissement total pour un déplacement sinusoïdal de demi-amplitude égale à 40 μm et des forces normales comprises entre 42,5 N et 170 N. Ensuite, l'étude, à sec, du fretting entre l'acier inoxydable et du PMMA a permis de quantifier le volume d'usure du PMMA, seul matériau à se dégrader, en fonction de l'énergie dissipée. Le phénomène de stick-slip a été nettement mis en évidence lors du glissement et augmente en fonction de la force normale de contact. Grâce à la transparence du PMMA, la production et l'évolution des débris ont pu être isolées et commentées en cours de fretting. De plus, les analyses infrarouges des débris de PMMA, à la surface de l'acier inoxydable, ont amené des informations sur le changement de configuration au cours du processus de dégradation. En solution de Ringer, milieu corrosif, l'acier inoxydable se dégrade d'une manière très significative pendant le fretting contre du PMMA et du ciment chirurgical. Au cours du processus de dissolution à potentiel libre, la réaction de réduction des ions oxoniums semble s'ajouter à la réduction du dioxygène. L'acier inoxydable 316L présente une forme particulière d'usure en ‘W'. Un effet de crevasse permet de proposer un mécanisme d'endommagement assisté par le fretting. De plus, l'énergie dissipée varie en fonction du potentiel imposé. Une analyse des courants a montré l'existence d'une réaction cathodique supplémentaire. Enfin, les expériences effectuées à l'air ambiant et en solution de Ringer ont fourni des données quantitatives d'usure du PMMA et du 316L.
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