Degradation of alumina and zirconia toughened alumina (ZTA) hip prostheses tested under microseparation conditions in a shock device

This paper considers the degradation of alumina and zirconia toughened alumina vs. alumina for hip implants. The materials are as assumed to be load bearing surfaces subjected to shocks in wet conditions. The load is a peak of force; 9 kN was applied over 15 ms at 2 Hz for 800,000 cycles. The volumetric wear and roughness are lower for ZTA than for alumina. The long ZTA ageing did not seem to have a direct influence on the roughness. The ageing increased the wear volumes of ZTA and it was found to have a higher wear resistance compared to alumina.Comment: International Conference on BioTribology (ICoBT 2011), Londres, 18 au 21 septembre 2011, Londres : United Kingdom (2011

Degradation of alumina and zirconia toughened alumina (ZTA) hip prostheses tested under microseparation conditions in a shock device

International audienceThis paper considers the degradation of alumina and zirconia toughened alumina vs. alumina for hip implants. The materials are as assumed to be load bearing surfaces subjected to shocks in wet conditions. The load is a peak of force; 9 kN was applied over 15 ms at 2 Hz for 800,000 cycles. The volumetric wear and roughness are lower for ZTA than for alumina. The long ZTA ageing did not seem to have a direct influence on the roughness. The ageing increased the wear volumes of ZTA and it was found to have a higher wear resistance compared to alumina

How do the grains slide in fine-grained zirconia polycrystals at high temperature?

Degradation of mechanical properties of zirconia polycrystals is hardly discussed in terms of solution-precipitation grain-boundary sliding due to experimental controversies over imaging of intergranular amorphous phases at high and room temperatures. Here, the authors applied the techniques of mechanical spectroscopy and transmission electron microscopy (TEM) to shed light on the amorphization of grain interfaces at high temperature where the interface-reaction determines the behaviour of fine-grained zirconia polycrystals. They present mechanical spectroscopy results, which yield evidences of an intergranular amorphous phase in silica doped and high-purity zirconia at high temperature. Quenching of zirconia polycrystals reveals an intergranular amorphous phase on TEM images at room temperature.Comment: 12 pages, 3 figure

Durées de vie de prothèses de hanche en biocéramiques soumises à des dégradations par chocs

National audienceLes prothèses de hanche visent à remplacer l'articulation coxo-fémorale. Les céramiques, notamment l'alumine, sont très utilisées pour la réalisation des têtes fémorales et des cupules cotyloïdiennes. Grâce à une machine unique en Europe, on peut tester dans des conditions sévères, le comportement des prothèses de hanche soumises aux chocs, afin d'estimer leur durée de vie. Le cycle de force appliqué est un pic de force de 9 kN pendant 30 ms à une fréquence de 2 Hz. Les essais ont été menés à sec, articulation non lubrifiée, ou en solution (sérum bovin). L'ensemble tête-cupule est incliné à 45° pour respecter la position anatomique. Les prothèses étudiées sont en alumine. Les essais, doublés ou triplés selon le milieu, sont conduits jusqu'à 800000 cycles ou jusqu'à la rupture de la cupule. A sec, la rupture est intervenue pour 254000 ± 43000 cycles. En solution, aucune rupture n'a été observée après 800000 cycles. Des ruptures intergranulaire et intragranulaire ont été observées au Microscope Electronique à Balayage (MEB). Pour tous les essais, on met en évidence des bandes d'usure sur la tête, analogues à celles observées ex vivo. Cette dégradation est plus rapide pour les essais à sec qu'en solution. La rupture de la cupule se produit lorsque la bande d'usure supérieure est voisine de 4 mm. Les analyses de rugosité par Microscopie à Force Atomique (AFM) ont montré que, pour les zones non usées, Ra-3D (rugosité 3D) = 9,1 ± 5,1 nm et pour les zones usées Ra-3D = 277,9 ± 29,4 nm ; ces valeurs sont comparables avec celles mesurées ex vivo. Ces résultats valident la machine de chocs comme un dispositif qui permet de reproduire et de comprendre les mécanismes d'endommagement des prothèses de hanche en biocéramique. Enfin, ces travaux expérimentaux nous permettront d'obtenir des résultats de référence et de les comparer à ceux qui découleront d'investigations autour de la modélisation multi-échelles

Elaboration et caractérisation de composites Alumine/Zircone à vocation orthopédique

Ce travail de thèse a pour objectif l élaboration et la caractérisation de composites Alumine/Zircone obtenus par voies conventionnelles, et dédiés à un usage orthopédique. Ces composites présentent une biocompatibilité prouvée, d excellentes propriétés mécaniques ainsi qu une grande stabilité. Ils sont plus résistants, plus fiables que l alumine ou la zircone seules et permettent d envisager des composants de tailles et formes plus exigeantes mécaniquement. Actuellement ces composites semblent les plus adaptés pour la réalisation de prothèses orthopédiques mais peuvent encore être optimisés via la modification des microstructures. La première partie de ce travail a concerné l étude de la réalisation industrielle de composants de grande taille à partir d une poudre. Les différentes étapes de l élaboration sont traitées : pressage des composants, frittage et usinage. Cette première partie est majoritairement consacrée à l étude des gradients thermique dans une sphère lors du frittage. Nous montrons qu il est possible de modéliser et de mesurer les gradients thermiques dans le matériau de manière très réaliste, ainsi que d obtenir des ordres de grandeur des contraintes mécaniques. On pourra ainsi envisager de tester numériquement les cycles de frittage en fonction de la géométrie des pièces frittées. Nous étudions par ailleurs la possibilité de réaliser un usinage des composants après un traitement de préfrittage, qui permettrait de diminuer les coûts et simplifier l élaboration de composants de grande taille. La seconde partie de ce mémoire a permis de montrer que différents types de microstructures, présentant des propriétés mécaniques différentes, peuvent être obtenues par simple mélange de poudre. Ceci est possible par l utilisation d un traitement thermique adapté, la variation du taux de zircone et grâce à l ajout de dopants (Si, Ca et Mg) jouant sur la mobilité des joints de grains d alumine. Lors de l utilisation de Ca ou Mg, le taux de zircone et la température ont un effet prépondérant sur l aspect des microstructures, permettant d obtenir des micro/micro-composites (1500C) et nano/nano-composites (25vol% de zircone et T 1500C) and nano-composites (25vol% of zirconia and < 1500C). Only Si/Ca co-doped ZTA composites with small amount of zirconia (2.5vol %) leads to almost homogeneous micro/nano composites with a large proportion of intragranular zirconia particles at high temperature. Around the percolation threshold (16vol% of zirconia) all types of reinforcement mechanisms that could be observed in ZTA composites (referred to literature) can be observed, depending on the thermal treatment and the dopants used. The range of microstructures obtained in this study leads us to investigate other applications for these composites depending of its reinforcement behavior and its mechanical and structural properties.VILLEURBANNE-DOC'INSA-Bib. elec. (692669901) / SudocSudocFranceF

Structural transformations of bioactive glass 45S5next term with thermal treatments

International audienceWe report on the structural transformations of Bioglass® during thermal treatments. Just after the glassy transition, at 550 °C, a glassy phase separation occurs at 580 °C, with the appearance of one silicate- and one phosphate-rich phase. It is followed by the crystallization of the major phase Na2CaSi2O6, from 610 to 700 °C and of the secondary phase, silico-rhenanite, at 800 °C. The latter evolves from the phosphate-rich glassy phase, which is still present after the first crystallization. In order to control the processing of glass-ceramic products from Bioglass®, crystallization kinetics were studied via differential scanning calorimetry measurements in the range of 620–700 °C and temperature–time–transformation curves were established