Durant les deux dernières décennies, des travaux ont été effectués sur le remplacement de l'articulation du genou humain. Ceci est dans un but de trouver un remède au problèmede l'arthrite du genou. Les implants cimentés et non cimentés sont deux types utilisés pour le traitement anhroplastique du genou. Les implants non cimentés présentent principalement deux types de problèmes majeurs :​ ledescellement et l'usure. Dans ce typed'implants, le frottement à l'interface de l'os-implant et les vis/tiçes sont utilisés pour assurer lastabilité requiseà la fixation durant la période pst-opératoire où les attachements osseux-implants nesont pas suffisamment développés. Le présent travail a été conçu dans le but de développer un modèle du système genou - implant par éléments finis, afin d'étudier la fixation mécaniqueet lastabilité, avec une chargestatique, de différentes conceptions et différents modèles de frottement. A cet effet, des études primaires nous ont permis d'examiner le frottement à I'interfacede l'os et del'implant, ainsi que l'arrachement des vis/tiges.

Dans la première partie, vu l'importance des frottements sur lastabilité des implants, des tests bidirectionnels de frottement ont été réalisés entre un cube de matériau osseux et une plaque métallique à surface poreuse. Ceci a permis de déteminer les propriétés mécaniques del' interface pour pouvoir les introduire dans le code d'éléments finis (3D) d'implant non-cimentés. cet effet, des spécimens osseux ont été extraits de différentes régions proximales de tibias et une plaque à surface poreuse a été préparée. Le montage expérimental utilisé pour les tests de frottement unidirectionnel a été modifié afin de pouvoir appliquer des charges normales entre elles et tangentielles a la surface de contact, et enregistrer les déplacements induits dans le plan. Les résultats mesures ont montré que la courbe charge - déplacement est fortement non linéaire avec un couplage significatif entre les deux directions. Le coefficient de frottement a été trouvé presque invariant du site anatomique de la surface osseuse extraite du tibia. Des tests bidirectionnels ont suggéré que a relation charse-déplacement, évaluée pour les valeurs résultantes, reste siniilaire au cas du test uni-directionnel. Par lasuite, les équations constitutives considérant les termes decouplage entre les deux directions perpendiculaires ont étédéveloppées et utilisées dans un modèle d'élément finis 3D simulant le test du frottement. La validation des termes de couplage a été effectuée par comparaison des résultats du modele d'élément finis 3D aux valeun mesurées cequi montre une concordance satisfaisante. Les mêmes essais ont été répétés en remplaçant l'os par du polyuréthanne donnant ainsi des résultats similaires. Les équations constitutives développées pour le frottement bi-directionnel sont alors utilisées dans les analyses par éléments finis 3 D simulant le test d'arrachement et le système os-implant dans le çenou.

Dans la deusième partie, vu le rôle des vis et des tiges dans le montage implant-os, le comportement des vishiçes (lisses et poreuses) insérées dans le cylindreen polyuréthanneaété étudié pour le cas de t'arrachement a charçement incliné. Ce comportement a été observé expérimentalement ainsi que par le modèle des éléments finis proposé. II a été trouvé que le charçement incliné diminue la résistance d'arrachement des vis, par contre, augmentecelle da tiges poreuses. Pour le cas des tiges lisses, l'influence n'est pas considérable. Ces résultats ont été confirmés par l'utilisation de la méthodearpérirnentdeainsi que par éléments fins. Cettevalidation nous a permis, alors, d'intégrer les approches proposées dans le modèle d'éléments finis 3 D du système genou - implant.

Finalement, le modèle d'éléments finis 3 D constitue du système çenou - implant nous a permis d'étudier de l'influence des types de fixation du tibiaainsi quedes types de frottement durant la période post - opératoire du çenou (où les attaches biologique ne sont pas encore développées) sur le comportement du système. L'interface os-implant a été modélisée en se basant sur les équations constitutives bidirectionnelles de frottement développées dans la première partie. Les propriétés de frottement entre le fémur et le polyéthylène ont aussi étédéteminées. L'os d'après la littérature présente des propriétés mécaniques élastiques linéaires mais hétérogènes. Les caractéristiques élastoplastiques du polyéthylène ont été introduites dans le modèle présent. Les vis/tiges ainsi que les formes çéométriques obtenues expérimentalement pour les différentes composantes ont été integrées dans lemodéle. Différentes configyrations de la plaque fixée sur le tibia ont été considérées:​ plaque à 3 vis, plaque a unevis et deux tiges et une plaque libre. Un poids de 2000N correspondant à trois fois celui du corps a été appliqué sur le fémur. II a été constaté que le modèle de frottement de Coulornbsous estime le déplacement relatifà l'interface de I'os et de l'implant. Le cas de la plaqueà3 vis adonné moins de déplacements relatifs et moins de dCcoIlaçe (lift-off). Le déplacement relatif à l'interface de l'os et de l'implant ainsi que la distribution des contraintes ont ététrouvés dépendant du type de la fixation. Dépendamment du typede la fixation, les os cortical et cancellous supportent respectivement 10 à 13% et 680% de lacharse. Le reste est transféré sous forme de cisaillement entre les vis/tiges et I'os. Cependant les contraintes nomales et de Von Mises dans le polyéthylène sont indépendantes du type de fixation. Les valeurs maximales de ces contraintes dépassent la contrainte d'écoulement etsont localisées à 1-2 mm au-dessous de lasurfacede contact pour tous les types de fixation. Base sur les résultats des études par éléments finis, le rôle important de la friction et des vidtiges sur la stabilitC de la fisation a été démontré. Il a été recommandé qu'un nombre croissant de vis et de tiges et d'une localisation de ceux-ci dans le périmètre de design peuvent réduire les micromouvements. En utilisant des surfaces poreuses avec des grands coefficients de fiction on peut aussi augmenter la force de cisaillement à l'interface ce qui assurera une fixation plus rigide.

Total joint replacement has been significantly developed in the last two decades to provide a solution to the arthritic joint. Cernented and cementiess implants are two types that are mently used in the joint arthroplasty . In a cernentless implant, fktion at the bone-implant interface and screwslposts are employed to provide the required fixation stability of the structure in the irnmediate post-operative pend with no biological attachment In the canentless implant, loosaiing ofthe tibia1 prosthesis and pol yethy lene wear remain as two main causes of the implant failure. This work deals with the initial fixation andstability ofcemendess implants. Due to the important role offiidon and screw~/posts in the initial fixation, fiction charaaerimcs at the bone-implant interface and pullaut test behaviorunderinclined load were determineci. Finally, a 3-D finite element model of the knee-implant system was developed to investigatethe influence of different friction models and fixation design configurations on fixationstabilityundas~c loading. The mimmotion at the knee-implant interface and stress distribution within the bone and polyethylene were studied, as well.

in the first part due to the importance of fiction role in the Mon stability of implant bidkeaional friction tests between cancellous bondpolyurethane cubes and a porouscoated metai plate were performed to detemine the mechanicd properties ofthe interface required in 3-D finite elernent model studies of cementless implants. For this purpose, bone specirnens obtained from proximal regions of tibia and a beaded porous-surfaced plate were used. The apparatus used for unidirectional fiction tests was modifieci to apply tangentid loads in perpendicular directions and monitor the corresponding displacements Measured results showed that the interface load-displacernent me was highly nonlinearwith signincant mupling betweentwo perpendidar directions. B i-directional tests suggested that the load-displacement relation w hen evduated for resultant values was similar to that obtained in auni-directionai testing condition. Constitutive equations that account for the cross-stiffness coupling ternis be"tween papaidicular directions were also developed and used in a 3-D finite element mode1 study of preceding bi-directional fiction tests. The influence of the coupling tenns on results was investigated by cornparison of predictions with measurement results. Asatisfactory agreement was found between the rsults of experiments with those offinite elernent studies confuming the constitutive relations as well as the importance of coupling terms. The equations developed here wereused in thesubsequent 3-D finite element analyses, i.e., the pull-out tests and the knee-implantsystem. Similarexperimentavfinite element investigations were repeated for the polyurethane cubes replacing cancellous bone specimens to further study the nonlinear coupled characteristics of such interfaces in bi-directional friction conditions. Polyurethane specimens yielded results comparable to thoseobtained using bone specimens.

Second part included the saidy undertaken to investigate the effect of combined loading on pull-out fixation response of bone screws, porous coated posts, and smooth-surfaced posts inserted in polyurethane matenal. Screws and pos~ are used in various implant designs to contribute to the fixation stability of artificial joints. Finite element models ofthe saews/posts were proposeci and vaiidated b y wperimental tests. The effect of inclinaiion in posts and screws showed three different patterns. uicreasing the inclination angle increased the axial pull-out load for porous coated posts. It did not, however, significantly aff'ktthat for smooth-surfaced posts while the axial puil-out load for the screw reduced with load inclination. Thesatisfanory agreement between numerical and experimental results confirmed the accuracy in modeling the interface, posts, and screws. The developed models were, therefore, used to investigate the post-operative short term fixation stability of various implant designs.

In the 1st part, a three dimensionai noalinear finite element mode1 was developed to investigate tibia1 kation desigos and fiictionmodels in total knee arthroplasty in the imrnediate postoperative period without biological attachrnent. Bi-directional friction properties were used for the boneporous coated implant interface. Baseâ on themeasurernents of friction properties at the interface between polyethylene and smooth metal surface, Coulomb's friction (p 4.045) was considered to model the polyethylene-femoral component inteface. Linear elastic isotropic but hetemgenous mechanical properties were considered for bone. Tension tests were performed to obtain the mechanical behavior of the polyethylene required forthe simulation. The elasto-plastic isotropic hardening mechanical model was used for polyethylene in the finite element analysis. Based on the eariier finite element and expenmental pull-out studies, posts and screws were also reliably modeled. Thegeometry of every component was obtained through measurements. The Porous Coated Anatomid (PCq Howrnedica inc.) tibia1 baseplate with threedifferait configurations was considered;​ onewith three screws, one with one screw and two short inciined porous-coated pegs. and a thirdone with no fixation forthe sake of cornparison. Three times body weight was applied through the femoral component on the medial plateau of articular insert. It was found that Coulomb's friction significantl y underestimates the relative micromotioa at the bone-implant interface. The loivest micromotion (21.8 μm) and lift-off (21.6 μm) were found for the design with screws. Cortical and cancellous bones carried, respectively, 10-13% and 65-86% of the axial load depending on the fixation configuration considered. Normal (48 MPa) and Mises (23 MPa) stresses as well as contact ara in the polyethylene insertwere independent of the baseplate fixation design. Maximum Mises stress in polyethyleneexceeded the yield stress and was found 1-2 mm below the contact surface for al1 designs.

The finite element analyses revealed the significant dependency of relative micromotion and stress transfer at the bone-implant interface on the friction model and on the baseplate anchorage configuration. However, stresses within the polyethylene were found to be independent of the baseplate fixation. The saidy also mnfirmed the superior performance of screws in preventing the micromotion and the lift-off.