Soutenance mémoire
Avec l’augmentation de l’espérance de vie, le nombre de problèmes reliés au dos tend à croitre de façon importante. Les pathologies fréquemment observées sont les scolioses, les problèmes lombaires ainsi que les fractures de la colonne vertébrale. Pour pallier à ces problèmes, certains patients doivent subir une intervention chirurgicale pour diverses raisons comme des blessures neurologiques, des instabilités mécaniques, une déformation de la colonne ou encore des douleurs subsistantes malgré un traitement approprié. Une technique courante permettant le traitement de ces symptômes est la fusion osseuse, ou arthrodèse, qui consiste en l’immobilisation d’un segment de colonne afin de faire fusionner plusieurs vertèbres ensemble. Au prix d’une légère perte de mobilité, le patient peut voir ses symptômes diminuer de façon significative.
Lors des traitements de fusion vertébrale, l’utilisation de tiges de fixation rigides entraine des taux de fusion importants, certaines techniques approchant les 100% de réussite. Cependant, une fusion réussie n’est pas systématiquement assimilée à un bon résultat clinique (Bono et Lee 2004; Gibson et Waddell, 2005).
Ce type d’instrumentation immobilise totalement le segment traité dans une position définie par le placement des vis et des tiges. La totalité des déplacements se retrouve alors sur le premier segment adjacent à l’instrumentation ) ce qui provoque une hypermobilité à ce niveau. Conséquence de ces déplacements, les contraintes sont concentrées à la limite de l’instrumentation, ce qui est à l’origine des dégénérescences et des problèmes rencontrés au niveau des segments adjacents (Cheh et al., 2007; Chou et al., 2002; Dekutoski et al., 1994; Panjabi, 2007). Lors d’une étude clinique sur 215 patients, (Ghiselli et al., 2004) ont observé des problèmes aux segments adjacents sur 27% des patients après 6 ans et 8 mois de suivi. La même tendance a également été observée par Gillet (2003).
Des systèmes moins rigides, appelés systèmes de stabilisation dynamique (SSD), ont été proposés afin de stabiliser la colonne vertébrale tout en permettant une mobilité controlée. L’avantage principal de tels systèmes est de diminuer les contraintes existantes entre le segment stabilisé et le segment non instrumenté tout en améliorant l’alignement de l’instrumentation avec les segments adjacents (Nockels, 2005). Castellvi et al., (2007) ont comparés numériquement les effets d’une instrumentation rigide et semi-rigide au niveau de la pression sur le disque adjacent à l’instrumentation lors d’une flexion à 45°. Le modèle, ainsi que les résultats . Cette étude montre que la pression maximale subie par le disque est diminuée de 10 % avec l’utilisation d’une instrumentation semi-rigide. Également, les auteurs soulignent que la zone affectée par 80% ou plus de la contrainte maximale est diminuée de presque moitié avec l’utilisation d’un système de stabilisation dynamique.
Alliage à mémoire de forme : Comportement mécanique et choix du matériau
Les alliages à mémoire de forme sont des matériaux présentant des propriétés mécaniques particulières telles que l’effet mémoire de forme et la superélasticité. Cette section présente les bases théoriques permettant la compréhension de ces différents comportements. Également, l’influence des traitements thermomécaniques sur les propriétés mécaniques est abordée.
Mécanismes de transformation et de déformation
Par définition, la transformation martensitique est dite displacive, ce qui signifie que lors du changement de phase, les mouvements des atomes sont très faibles, de l’ordre d’un dixième de distance interatomique. Le passage d’une phase à l’autre se fait alors par cisaillement du réseau cristallin sous l’influence de la température ou de la contrainte. Cette transformation est donc responsable d’une déformation homogène du réseau qui cependant ne se retrouve pas toujours à l’échelle macroscopique. En effet, lors de la transformation directe, de l’austénite vers la martensite, la déformation du réseau est compensée par la formation de macles, ce qui se traduit par une absence de déformation à l’échelle macroscopique. Ces macles vont en effet permettre à la nouvelle phase de s’accommoder de l’espace disponible pour créer des plaquettes de martensite orientées de façon totalement aléatoire. On parle alors de martensite autoaccommodante. Lors du retour en phase austénitique, sous chauffage, les macles disparaissent.
Partant d’un état complètement austénitique , un refroidissement sous contrainte nulle engendre l’apparition de martensite autoaccommodante ou maclée, ce qui n’entraine pas de déformation à l’échelle macroscopique . Cette transformation est totalement réversible puisqu’un chauffage de la martensite maclée va entrainer l’apparition à nouveau de la phase austénitique . Partant de la martensite autoaccommodante, une déformation macroscopique de cette phase va se traduire par une orientation préférentielle des aiguilles de martensite selon la direction de la contrainte . Il est alors question de martensite orientée. Un refroidissement sous contrainte va également orienter la martensite dans une direction préférentielle . Un chauffage de cette martensite orientée à une température supérieure à Af va entrainer un retour en phase austénitique provoquant le retour du matériau à sa forme initiale . Une déformation de l’austénite entraînera quant à elle la formation de martensite orientée ce qui provoque l’effet superélastique.
Transformation martensitique
La transformation martensitique est à l’origine des comportements particuliers des AMF et consiste en un changement de phase accompagnant un changement de température ou de contrainte mécanique. Ce phénomène permet à un spécimen préalablement déformé de retrouver, sous chauffage, sa forme initiale. Par analogie aux aciers, la phase basse température est appelée « martensite » tandis que la phase haute température est appelée « austénite ». Grâce au caractère réversible de cette transformation, cette famille d’alliage présente des propriétés de mémoire de forme et de superélasticité.
Ce type de diagramme permet de prévoir l’état de phase du matériau en fonction de la température et de son état de contrainte. Il est alors constatable que pour des températures inférieures à Mf, le matériau sera dans un état martensitique quel que soit la contrainte appliquée. Pour des températures supérieures à Af, le matériau est à l’état austénitique à contrainte nulle. Sous l’application d’une force, il apparaît qu’un changement de phase va intervenir, l’austénite se transformant en martensite. Cette transformation de phase sous charge est à l’origine de l’effet superélastique.
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Table des matières
CHAPITRE 1 INTRODUCTION GÉNÉRALE
1.1 Problématique
1.1.1 Instrumentations dynamiques existantes
1.1.2 Instrumentations hybrides
1.1.3 Influence des ancrages
1.1.4 Résumé
1.2 Solution proposée
1.3 Alliage à mémoire de forme : Comportement mécanique et choix du matériau
1.4 Objectifs de recherche
1.5 Méthodologie
1.5.1 Matériau utilisé
1.5.2 Technologie de fabrication des tiges
1.5.3 Modélisation
1.5.4 Étude biomécanique
1.6 Organisation de la thèse
CHAPITRE 2 MANUFACTURING OF MONOLITHIC SUPERELASTIC RODS WITH VARIABLE PROPERTIES FOR SPINAL CORRECTION : FEASABILITY STUDY
2.1 Résumé
2.2 Abstract
2.3 Introduction
2.4 Methodology
2.5 Results
2.6 Discussion
2.7 Conclusion
2.8 Acknowledgments
2.9 References
CHAPITRE 3 MONOLITHIC SUPERELASTIC RODS WITH VARIABLE FLEXURAL STIFFNESS FOR SPINAL FUSION : MODELING OF THE PROCESSING-PROPERTIES RELATIONSHIP
3.1 Résumé
3.2 Abstract
3.3 Introduction
3.4 Materials and methods
3.4.1 Material
3.4.2 Joule-heating annealing setup
3.4.3 Annealing: Joule-heating induced temperature distribution modeling and validation
3.4.4 Mechanical behavior after Joule-heating annealing
3.4.4.1 Database of the annealing temperature-dependant stress-strain diagrams
3.4.4.2 Mechanical model
3.4.4.3 Mechanical model validation
3.5 Results
3.5.1 Joule heating-induced temperature distribution
3.5.2 Set of the annealing temperature-dependant stress-strain diagrams
3.5.3 Mechanical behavior after Joule-heating annealing
3.6 Models applications
3.6.1 Thermal model: testing different Joule-heating current-time schedules
3.6.2 Mechanical model: prediction of the variable-stiffness rod’s flexural behavior
3.7 Discussion
3.8 Conclusion
3.9 Acknowledgments
3.10 References
CHAPITRE 4 BIOMECHANICAL ASSESSMENT OF THE STABILIZATION CAPACITY OF MONOLITHIC SPINAL RODS WITH DIFFERENT FLEXURAL STIFFNESS AND ANCHORING ARRANGEMENT
4.1 Résumé
4.2 Abstract
4.3 Introduction
4.4 Materials and methods
4.4.1 Specimen preparation and fixation
4.4.2 Spinal rods
4.4.3 Biomechanical testing setup
4.4.4 Measurements
4.4.5 Statistical analysis
4.5 Results
4.5.1 Forward flexion
4.5.2 Extension
4.5.3 Lateral bending
4.6 Summary on relative mobility for different configurations
4.7 Discussion
4.7 Conclusion
4.8 Funding
4.9 Acknowledgments
4.10 Conflict of interest
4.11 References
DISCUSSION GÉNÉRALE
CONCLUSION
