Numerical modeling of the adhesive contact at the bone-implant interface

Modélisation numérique du contact adhésif à l'interface os - implant Les implants osseux constituent actuellement l'approche thérapeutique la plus utilisée pour les réparer les articulations et les os endommagés. La stabilité initiale est obtenue pendant la chirurgie grâce à un processus d'ajustement serré dans l'os hôte, tandis que la stabilité à long terme est obtenue par la croissance osseuse autour et dans la surface poreuse de l'implant, un processus appelé ostéointégration. Comme le décollement de l'interface os-implant dû à un descellement aseptique et à une ostéointégration insuffisante se produit toujours et peut avoir des conséquences dramatiques, prédire la stabilité et l'échec de l'implant est l'un des objectifs majeurs de la recherche implantaire moderne. L'objectif de ce travail est de proposer plusieurs modélisations complémentaires ducontact adhésif à l'interface os-implant pendant et après la chirurgie. Premièrement, les déterminants biomécaniques de la stabilité primaire d'une cupule acétabulaire (ACI) sont présentés. Pour quantifier la stabilité primaire, l'insertion de l'ACI dans un hémi-bassin humain et le retrait ultérieur sont simulés. L'influence de différents paramètres spécifiques au patient et à l'implant sur la stabilité primaire est discutée. Sur la base de la rigidité osseuse d'un patient, des combinaisons optimales de l'ajustement serré et du coefficient de frottement peuvent être identifiées pour assurer unestabilité initiale optimale.Deuxièmement, un modèle phénoménologique du comportement de contact frictionneldes implants ostéointégrés décollés est développé. La loi de Coulomb classique est étendued'un coefficient de frottement constant à un coefficient de frottement variable, qui modélisela transition d'un état ininterrompu (ostéo-intégré) à un état cassé (délié), basé sur unevariable d'état dépendant de la déformation de l'interface os-implant. Ce modèle estappliqué au décollement en torsion des implants de forme cylindrique et les résultats sontcomparés aux données expérimentales et à un modèle analytique précédent.Troisièmement, le modèle de loi de Coulomb modifié est étendu dans la direction normaleen considérant un modèle de zone cohésive, pour tenir compte du décollement dansla direction normale et tenir compte du frottement adhésif. Ce modèle est appliqué poursimuler la stabilité secondaire et le décollement d'un ACI dans différents tests de retrait,et pour déterminer la pertinence de l'ostéointégration et des facteurs biomécaniques pourla stabilité à long terme.Enfin, deux lois d'évolution simples pour l'ostéointégration basée sur la stabilité initialesont présentées pour rendre compte d'une ostéointégration réaliste et dépendante dutemps.En raison de leur généralité, tous les modèles présentés dans ce travail peuvent être appliquésà toutes sortes d'implants osseux ou plus généralement d'interfaces imparfaitementcollées. De plus, les modèles peuvent être couplés à des algorithmes de remodelage ou àdes données de chargement réalistes, pour mener à bien des simulations et des pronosticspour tout le cycle de vie d'un implant depuis la chirurgie, en passant par le remodelageosseux et l'ostéointégration, jusqu'à la stabilité à long terme sous chargement cyclique.