Frottement et usure des céramiques (Al₂O₃-ZrO₂) pour applications biomédicales

UMR 5621 “Ingénierie et Fonctionnalisation des Surfaces”, École Centrale de Lyon, Ecully

Résumé

L’implantation de prothèses orthopédiques (hanche et genou principalement) connaît un développement important. Cependant, la durée de vie de ces implants reste encore trop limitée, d’autant plus que les opérations sont réalisées sur des sujets de plus en plus jeunes. Dans ce contexte, le couple de frottement tête-cotyle est un facteur limitant en particulier à cause des émissions de débris provoquées par l’usure. Dans ces conditions, l’utilisation de céramiques est une option en plein développement grâce aux possibilités offertes par le système alumine-zircone. Nous montrons ici par des essais mécaniques et des tests de biocompatibilité que la céramique composite à dispersoïdes alumine-zircone (à 20 % vol. ZrO₂ stabilisée par Y₂O₃, 2 mole%), présente le meilleur compromis résistance à l’usure et à la fracturation, biocompatibilité, et vieillissement in vivo.

Cependant, pour encore améliorer les performances de ces céramiques, en particulier en ce qui concerne les faibles coefficients de frottement recherchés, il faudra s’appuyer sur des recherches nouvelles prenant en compte les effets des charges électriques apparaissant dans tout couple de frottement faisant intervenir des matériaux isolants.

Abstract

Implantation of orthopoedic prosthesis (mainly hip or knee) has undergone a sizeable expansion. However, the time life of such implants remain too limited (15 years for hip, 10 years for knee prosthesis).

In this context, the friction system head-cotyle is often at the origin of a progressive damaging of some hip prosthesis.

To improve the reliability of the implant, the ideal system has to be characterised by a low wear, without catastrophic fracture, and a low friction coefficient. Indeed, the wear debris induce an aseptic unsealing and, moreover, a high friction momentum increases the strength transmited to the bone/prosthesis interface.

In this way, the use of ceramics (alumina or zirconia) prove to be an more and more practised way. Alumina-Zirconia composite ceramics (A5Z: 5 vol % ZrO₂, A20Z2Y: 20 vol % ZrO₂ stabilised by Y₂O₃ (2 mole%) offer another new possibility combining good tribological behavior, toughness and biocompatibility.

Actually (table I), zirconia dispersoides have permitted to supress the ageing observed in vivo with pure alumina [4] with biocompatibility of zirconia or alumina-zirconia was equivalent to pure alumina one (fig. 2). From the wear point of view, the A20Z2Y-A20Z2Y ceramic-ceramic system has presented the best behavior (fig. 3, 4), but, in return the friction coefficient remained high (0.5). To reduce both wear and friction coefficient, a new route can be offered considering a dielectrical approach of the wear of ceramics [7, 8, 10, 11]. For example electrical charges trapped during friction (fig. 12) in superficial layer created by Zr ion implantation have induced both low friction coefficient (fig. 13) and wear. In the same way, the higher the capacity II of ceramic to trapp charges, the bigger the wear [11] (fig. 14).

At last, for PE/ceramic systems, the behavior of A20Z2Y composite, presenting good mechanical properties (table I), low wear of PE (fig. 6) and low friction coefficient (fig. 7) is still the more attractive.