Grafting of biomimetic polymers on polyethylene joint implants: control of the tribological behavior

Greffage de polymères biomimétiques sur implants articulaires en polyéthylène: contrôle du comportement tribologique

Na Wang (1)

1 TMI - Tribologie et Mécanique des Interfaces

Grafting biomimetic polymers onto biomaterials such as implants is one of the promising approaches to increase their tribological performance and biocompatibility and to reduce wear. In this paper, poly(2-methacryloyloxyethyl phosphorylcholine) (p(MPC)) brushes were obtained by photografting MPC from the rough surface of ultra high molecular weight polyethylene (UHMWPE) joint implants. Such substrates have a high roughness (Ra∼650 nm) which often has the same order of magnitude as the brush thickness, so it is very difficult to estimate the vertical density profile of the grafted content. The quality of the p(MPC) grafting was evaluated through a wide range of characterization techniques to reveal the effectiveness of the grafting: atomic force microcopy (AFM) imaging and force spectroscopy, contact angle, SEM/EDX, and confocal microscopy. After testing the methods on smooth glass substrate as reference, AFM nano-indentation proves to be a reliable non destructive method to characterize the thickness and the mechanical properties of the p(MPC) layer in liquid physiological medium. Tribological measurements using a homemade biotribometer confirm that, despite heterogeneity thickness (h = 0.5-6 µ m), the p(MPC) layer covers the roughness of the UHMWPE substrate and acts as an efficient lubricant with low friction coefficient and no wear for 9 h of friction.

Les maladies ostéoarticulaires représentent environ 10% de l'ensemble des pathologies identifiées en France chaque année. Pour l'instant aucun traitement permettant la réparation du tissu cartilagineux n'est vraiment disponible, hormis la pose d'un implant articulaire. Mais, malgré de nombreux efforts pour développer de nouveaux matériaux pour les implants articulaires leur durée de vie in vivo s'avère souvent très décevante par rapport aux extrapolations faites à partir de simulations ex-vivo. Les discordances entre les durées de vie in vivo et ex vivo sont principalement imputées aux conditions d'essais ex vivo insuffisamment réalistes vis-à-vis des propriétés physico-chimiques des lubrifiants biologiques. Dans ce contexte, ce travail vise à agir sur la réactivité physicochimique des surfaces frottantes des implants articulaires en UHMWPE afin de maîtriser l'accrochage des molécules lubrifiantes de type phospholipidique et ainsi d'augmenter leurs performances tribologiques. Les résultats montre que l'activation physichochimique des surfaces de UHMWPE par des couche de MPC peut diminuer l'usure des surfaces polymères d'implant mais cela nécessite un contrôle de la qualité de la couche MPC greffée (densité surfacique, épaisseur, accrochage chimique, adsorption physico-chimique) afin de garantir une bonne tenue mécanique et tribologique. D'autre part il a été montré que la présence de lubrifiant biologique (substitut du fluide synovial à base de liposomes) réduit l'usure des surfaces de UHWPE même si la couche de MPC est peu dense et peu épaisse

Mots clés: Joint implant; UHMWPE; MPC; Graft polymerization; Atomic force spectroscopy; Wear mechanism

Domaines: Science des matériaux [cond-mat.mtrl-sci]; Biomécanique [physics.med-ph]; Biomécanique [physics.med-ph]

Na Wang. Greffage de polymères biomimétiques sur implants articulaires en polyéthylène: contrôle du comportement tribologique. Science des matériaux [cond-mat.mtrl-sci]. Université Claude Bernard - Lyon I, 2013. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00966017⟩