Frottement et usure du couple zircone/polyéthylène haute densité (PE-HD) à sec et avec liquide de ringer

Friction and wear of the pair zirconia/high density polyethylene in dry conditions and in ringer liquid

¹ Laboratoire de Mécanique Roberval, U MR CNRS 6066, Université de Technologie, Compiègne (France)
² Faculté des Sciences de l’Ingénieur, Université Badji Mokhtar, Annaba (Algérie)

Résumé

Dans le cas d’une prothèse articulaire, de nombreux facteurs agissent sur le comportement des matériaux. Ces facteurs correspondent à des effets biochimiques ou mécaniques (frottement- usure, fatigue et adhésion à l’os). Le couple de frottement est un facteur limitant majeur, en particulier à cause des émissions des débris provoqués par l’usure.

Dans ce contexte, nous présentons, à travers cette étude, des expériences qui ont été réalisées en frottement à sec, et également en présence de liquide de Ringer. La durée des essais est de 12 heures avec des charges de 60 N, 120 N, 250 N et 350 N. Les fréquences sont de 1 et 2 Hz. On constate que pour les premiers essais, qu’il n’y a très peu d’apparition de débris d’usure, avec une charge relativement faible, de l’ordre de 60 N ; ceci pour les essais à sec. On note que le coefficient μ est de l’ordre de 0,25. Dans les tests suivants, notamment avec une charge de 250 N, on remarque qu’il y a une présence de débris d’usure en petites quantités (sous forme de copeaux). Le coefficient de frottement μ a diminué légèrement; ce dernier est de l’ordre de 0,18. Dans le cas du frottement avec le liquide de Ringer, on constate une production importante de débris d’usure qui apparaît majoritairement sous forme d’écailles et/ou de fibres, avec les mêmes conditions de test (charge maintenue à 250 N, fréquence de 2 Hz). On note dans ce cas là, que le coefficient μ est relativement élevé: il est de l’ordre de 0,55. Le liquide de Ringer joue, par conséquent, un rôle important dans ces expériences. Son influence sur le PE-hd est déterminante pour l’apparition d’un volume considérable de copeaux. L’apparition de débris d’usure dépend aussi d’une forte pression de contact et d’un grand nombre de cycles de travail quelle que soit la fréquence. L’usure du PE-hd est supérieure à celle de la zircone.

Abstract

In the case of an articular prosthesis, many factors act on the behavior of materials. These factors correspond to the biochemical or mechanical effects (friction - wear, fatigue and adhesion to the bone ). The friction couple is a limiting factor, in particular because of production of debris provoked by wear. In this context, we show through this study, friction experiments that have been carried out in dry conditions and also with the Ringer liquid. The duration of tests is 12 hours with normal loads of 60 N, 120 N, 250 N and 350 N. The frequencies are 1 and 2 Hz. For the first tests, there is very few appearance of wear debris, whith a load about 60 N, in dry conditions. In this case, the friction coefficient, μ, is about 0,25. In the following tests and with 250 N, there is a presence of wear particles in small quantities (in form of shreds and fibers). The friction coefficient, μ, decreased slightly ; this last is about 0,18. In the tests with the liquid of Ringer, an important production of wear debris appears (mainly in form of plates), with the same former conditions of test (load at 250 N, frequency of 2 Hz). In this case, the friction coefficient, μ, is relatively high, about 0,55. Finally, the liquid of Ringer plays an important role in these experiments. Its influence on PE-hd is determining for appearance of an important volume of wear debris. The results of wear also depends of a strong contact pressure, of a great number of operating cycles whatever the frequency. The wear of the PE-hd is superior than the wear of zirconia.