Tribologie/Applications pratiques/Sciences de la vie

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TRIBOLOGIE

Science et technologie du frottement, de l'usure et de la lubrification.

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Technologie Modèles

La tribologie a de nombreuses applications dans le domaine des sciences de la vie, en médecine, dans la vie quotidienne, etc.

Tribologie et corps humain[modifier | modifier le wikicode]

Les dents[modifier | modifier le wikicode]

Indépendamment des attaques de la carie, les dents s'usent selon trois processus essentiels :

  • l'attrition, qui est l'usure « normale » des dents lors de la mastication des aliments ; il s'agit en fait d'une usure abrasive.
  • l'abrasion, qui résulte d'un frottement survenant en-dehors des phases de mastication ; les contraintes intenses qui résultent de la mise en contact des dents lorsque l'on avale sa salive ou surtout le bruxisme, qui est un phénomène pathologique, désagrègent l'émail dentaire sous l'effet de contraintes excessives,
  • l'érosion est un processus de dissolution causé par l'attaque des aliments acides, jus de fruits, sodas, agrumes, vinaigre, cornichons, légumes acides, reflux gastro-aérophagiens, etc. ; on peut faire le parallèle avec la corrosion.

Le lecteur averti notera que le vocabulaire utilisé en art dentaire diffère sensiblement de celui des physiciens ou des mécaniciens. Il faut en effet traduire attrition par abrasion, abrasion par dépassement des contraintes admissibles et érosion par corrosion.

Pour une meilleure protection bucco-dentaire, on conseille :

  • de ne pas abuser des aliments acides et d'éviter le grignotage,
  • de retenir le moins longtemps possible les aliments acides dans la bouche,
  • de consommer du lait ou du fromage après une agression acide, ce qui permet de « reminéraliser » l'émail qui vient d'être attaqué,
  • de ne pas se brosser les dents juste après une attaque acide mais de laisser auparavant la salive jouer son rôle de régulateur d'acidité.

Les empreintes digitales[modifier | modifier le wikicode]

Divers scientifiques se sont intéressés au rôle joué par les empreintes digitales dans la vie courante, indépendamment bien sûr des questions relatives à l'identification des individus. À quoi ces dessins en relief que nous portons tous sur le bout de nos doigts peuvent-ils servir ?

La réponse à cette question est loin d'être simple et les mesures comparatives sont très difficiles à réaliser. On sait cependant que la disparition des empreintes digitales ne réduit que très faiblement l'adhérence des doigts sur les surfaces lisses. Il est vraisemblable en revanche qu'elles jouent un rôle relativement important dans les contacts avec des objets rugueux tels que des rochers, des troncs d'arbres, etc. On pense aussi qu'elles améliorent la préhension des objets mouillés en permettant d'évacuer des zones réelles de contact une partie des fluides présents dans l'interface.

Les prothèses articulaires[modifier | modifier le wikicode]

Prothèses de la hanche[modifier | modifier le wikicode]

Une prothèse totale de hanche

Du point de vue mécanique, l'articulation de la hanche est une des plus simples parmi toutes celles que l'on peut rencontrer dans le corps humain, puisqu'il s'agit d'une rotule. Ses pathologies se multiplient en raison des nouveaux modes de vie et de travail mais aussi à cause de pratiques sportives souvent désastreuses. On ne porte pas une attention suffisante à cette articulation, en particulier lors des visites médicales d'aptitude, et cela se paye quelques années plus tard.

Le football, le rugby, le handball ou le basket sollicitent beaucoup les hanches mais les conditions actuelles de la pratique du tennis en font un sport à haut risque, ce que de nombreux champions apprennent à leurs dépens. Les techniques chirurgicales se limitent généralement à retirer des débris de cartilage, les résultats obtenus sont peu probants. L'administration d'anti-inflammatoires ou l'injection d'acide hyaluronique pour augmenter la lubrification ne résolvent pas les problèmes de fond, bien au contraire, car le sportif délivré de ses douleurs continue d'endommager ses cartilages avec davantage d'entrain.

La prévention semble être actuellement la meilleure méthode de lutte contre les pathologies des articulations. Les membres inférieurs de longueur différente doivent être détectés, car ils entraînent des déséquilibres articulaires aux conséquences graves. Dans beaucoup de sports, les mouvements brutaux, les changements de direction, les aller et retour rapides, les blocages à la réception d'un saut, etc., font que les hanches portent jusqu'à dix fois le poids du corps ; cette situation s'aggrave avec le développement exagéré de la musculature, qui ne s'accompagne pas d'une augmentation concomitante des surfaces d'appui articulaires. En cas de problème, on sait maintenant que prescrire le repos est une erreur car les fonctions de l'organisme s'entretiennent par l'usage ; mieux vaut une activité physique modérée qui continue de solliciter raisonnablement les articulations.

Évolutions historiques[modifier | modifier le wikicode]
Prothèse de hanche en titane, avec rotule en céramique et un cotyle en polyéthylène

La première prothèse de hanche de R. Judet était en résine acrylique, matériau qui fut rapidement abandonné en raison d'une usure rapide accompagnée d'une importante émission de débris. Les premières prothèses utilisables étaient en acier inoxydable, matériau toujours utilisé dans certains cas.

Les alliages de type chrome-cobalt résistent mieux et produisent moins de débris mais ils ne sont pas toujours bien tolérés et on les tient pour les principaux responsables des descellements.

Les alliages de titane, dont l'utilisation est plus récente, sont particulièrement intéressants pour les prothèses sans ciment en raison de leur module d'élasticité plus proche de celui de l'os. On sait depuis peu que si la prothèse est cimentée, la surface de la prothèse fémorale en alliage de titane doit impérativement être lisse.

La prothèse de Mac Kee faisait frotter une tête en cobalt-chrome sur un cotyle en cobalt-chrome, elle fut abandonnée à la suite de très nombreux descellements provoqués par un mauvais jeu articulaire entre tête et cotyle.

Charnley trouva une autre solution, toujours utilisée. Il fit frotter une tête métallique en alliage chrome-cobalt (meilleur dans ce cas que l'acier inoxydable) sur un cotyle en polyéthylène haute densité. L'usure de ce dernier est de l'ordre de 0,1 mm par an.

Boutin fut le premier à utiliser une tête en céramique (alumine) et un cotyle en polyéthylène. Le frottement céramique-polyéthylène est excellent et produit peu de débris d'usure. La céramique de zircone tend aujourd'hui à remplacer l'alumine.

Le frottement céramique contre céramique produit peu de débris mais se révèle fragile. Grâce à de nouvelles techniques de polissage, des chirurgiens suisses et allemands ont mis au point, pour le cotyle, une coque en alliage de chrome-cobalt encastrée dans un cotyle en polyéthylène, avec un frottement métal-métal. Ce système est expérimental et doit encore faire ses preuves.

Depuis 1985, les travaux se sont orientés vers un nouveau couple de frottement : métal-céramisé contre métal-céramisé : le Plasma-Ceram est obtenu par projection à la torche plasma d'oxyde de chrome. La vitesse des particules en sortie de torche est de 1.800 m/s et la température de 15.000°C ; un refroidissement très brutal assure une hypertrempe de 15.000 à 60°C en 10 µs. Il en résulte un véritable encastrement à chaud de cristaux hexagonaux dont la tenue mécanique est largement supérieure aux cristaux tétragonaux habituels pour les céramiques. Propriétés du revêtement :

  • Résistance d'ancrage de la céramique sur le substrat : 4 MPa
  • Dureté : 1.800 Vickers
  • Module d'élasticité 280.000 MPa
  • Densité 5,41
  • Biocompatibilité confirmée sur cultures cellulaires, petits et gros animaux.
  • Coefficient de frottement à sec : 0,075.

Ce système est expérimental et doit encore faire ses preuves.

Procédures de pose des prothèses[modifier | modifier le wikicode]

La prothèse totale d'une articulation consiste à enlever l'articulation naturelle endommagée à la suite d'un traumatisme articulaire, d'une pathologie acquise ou congénitale ou d'une arthrose dégénérative et à la remplacer par un implant doté des fonctions mécaniques appropriées.

Une articulation est constituée par les extrémités de deux ou plusieurs os reliées entre elles par des ligaments. Par exemple, la hanche est une rotule dont la sphère femelle appartient à l'os pelvien et la sphère mâle à l'extrémité du fémur. Le genou met en relation l'extrémité inférieure du fémur avec l'extrémité supérieure du tibia. Les extrémités des os mis en contact sont normalement recouvertes d'une couche de cartilage qui assure un glissement doux et presque sans frottement. Le fonctionnement de l'articulation devient douloureuse lorsque ce cartilage se trouve endommagé. Chaque articulation est en outre enfermée dans une enveloppe de tissu fibreux contenant un liquide lubrifiant, la synovie.

L'endommagement d'une articulation est parfois si sévère et douloureux que le patient évite tout mouvement non nécessaire, ce qui finit par affaiblir les muscles correspondants et réduire encore la mobilité. C'est l'état de l'ensemble constitué par les os, le cartilage, les ligaments et les muscles que l'on doit donc étudier pour savoir s'il vaut mieux opérer ou laisser les choses en l'état. L'opération ne doit être décidée que lorsque toutes les autres méthodes de soins ont échoué.

La plupart des prothèses comportent des éléments métalliques réalisés en acier inoxydable, en alliage chrome-cobalt ou en titane, fixés à la partie conservée de l'os par des ciments acryliques. Les contre-faces articulaires de frottement sont maintenant réalisées en polyéthylène de très haute densité, matériau qui présente de bonnes caractéristiques frottantes en face des métaux.

L'opération est pratiquée sous anesthésie générale ou régionale. La chirurgie sous anesthésie régionale donne moins de problèmes pulmonaires.

On peut normalement recommencer à marcher un jour ou deux après une prothèse totale de genou ou de hanche. On n'opère en général que les patients de plus de 60 ans, sauf dans de rares cas, parce que les personnes plus jeunes ont tendance à user trop vite les prothèses qui doivent alors être remplacées, ce qui est toujours délicat.

Le taux de réussite est actuellement de 95 %. Les complications sont plus fréquentes chez les patients ayant des problèmes de santé avant l'intervention chirurgicale : saignement au niveau du site opératoire, chute d'hémoglobine, formation de caillots dans les veines (thrombophlébite), fracture per-opératoire, dislocation de la prothèse. Plus rarement se produisent des infections au voisinage de la prothèse, une usure de la surface en polyéthylène ou une dislocation tardive de la prothèse.

Difficultés pour évaluer les solutions[modifier | modifier le wikicode]

Il est couramment admis qu'en arthroplastie totale de la hanche, aucune comparaison des résultats cliniques obtenus avec différentes sortes d'implants ne peut être raisonnablement établie avant une durée de l'ordre de 10 ans. Comme pour tous les systèmes qui doivent atteindre des durées de vie importantes, il est très difficile de réaliser des essais de vieillissement accéléré en laboratoire car on risque de faire apparaître des processus de dégradation différents de ceux qui se produisent dans la réalité.

On sait toutefois que les débris d'usure sont en grande partie responsables des complications à long terme, en particulier à cause de réactions immuno-allergiques provoquées par les particules métalliques, réactions auxquelles on attribue certains descellements. Les surfaces frottantes doivent donc être choisies en fonction de leurs émissions sous l'effet du frottement.

Nouveautés en matière de traitement des surfaces[modifier | modifier le wikicode]

La société Tecvac Ltd, de Cambridge, propose une famille de nouveaux traitements de surface biocompatibles capables de faciliter le glissement des contacts métal sur métal. Il s'agit essentiellement de revêtements de carbone adamantin (DLC) déposé sur du nitrure de titane, très durs (plus de 4.500 HV) et qui permettent d'obtenir des coefficients de frottement de l'ordre de 0,1. Cependant il faut que la surface du nitrure de titane soit rugueuse (rough) pour améliorer la liaison entre ces deux couches. Pour cela il faut que la couche mince TiN soit riche en azote sinon la couche DLC ne résistera pas à l'usure. Ces surfaces permettent également le frottement sur les matières plastiques utilisées dans les prothèses.

Prothèses du genou[modifier | modifier le wikicode]