Utilizando-se um poliuretano derivado de óleo de mamona desenvolvido para implantes ósseos, aonde este vem demonstrando ser biocompatível e apresentando características fisico-químicas semelhantes às dos ossos, estuda-se o comportamento mecânico deste material quando reforçado por fibra de carbono, juntamente com uma metodologia de fabricação de hastes de implante de quadril. Avaliou-se o efeito da fração volumétrica em fibra nas propriedades mecânicas do compósito, bem como, a influência da realização de um tratamento superficial da fibra de carbono por método químico, visando melhorar a adesão interfacial fibra/matriz. Foram realizados ensaios mecânicos nos corpos de prova em compósitos e nas hastes fabricadas para avaliar a resistência mecânica sob carregamentos quase-estáticos. Também foram realizadas simulações computacionais da haste, juntamente com o dispositivo de ensaio projetado, para comparação com os resultados experimentais. Para isto, utilizou-se o programa ANSYS®, que é um sistema de engenharia auxiliado por computador (Computer Aided Engineering - CAE) e utiliza o Método dos Elementos Finitos como ferramenta de análise estrutural. Resultados satisfatórios foram obtidos nos ensaios mecânicos do poliuretano reforçado por fibra de carbono, viabilizando sua aplicação no projeto de hastes de implante de quadril. / The polyurethane derived from castor oil has demonstrated excellent biocompatibility and similarity to the physical and chemical properties of the human bone. In order to use this material in the design of hip implant stems, this work investigates its mechanical behavior when reinforced by carbon fibers. A manufacturing methodology for hip implant stems is also proposed and validated. The effects of fiber volume fraction and superficial treatments on the carbon fibers are evaluated in terms of the mechanical properties of the polyurethane and of the composite. Mechanical tests were performed in the manufactured stems to evaluate the strength under quasi-static loading. Computational simulations of the stem and testing devices were also performed by using the Finite Element Method and the commercial package ANSYS®. The results obtained are quite satisfactory which validates the application of the carbon fiber reinforced polyurethane in hip implant stems.

La performance des mécanismes est intimement liée à la précision des surfaces qui composent les liaisons. La démarche habituelle de l’analyse de ces surfaces est basée sur des hypothèses fortes concernant leurs comportements. Ainsi, les défauts de forme et de rugosité sont négligés et les surfaces sont supposées infiniment rigides. L’objectif principal de ces travaux est de développer une méthode permettant d’étudier l’influence des défauts de forme sur les performances des assemblages. Elle repose sur une méthodologie et des outils pour l’identification des défauts qui vont optimiser ou pénaliser les exigences fonctionnelles de l’assemblage. Dans ce manuscrit, deux cas d’étude sont proposés.Dans un premier temps, un montage de type bride (centrage court, appui plan) est étudié afin de valider l’ensemble de la démarche développée. Les outils utilisés reposent essentiellement sur la décomposition et composition modale des défauts, le concept de surface écarts, la recherche de zone d’appui stable ainsi que la quantification des déformations de surfaces de contact basées sur des modèles analytiques ou numériques. L’influence des défauts de forme sur la précision de mise en position est quantifiée par un domaine écart de liaison. Une confrontation entre la démarche théorique et un dispositif expérimental permet de valider l’approche. Par la suite, une liaison sphérique est considérée constituant une prothèse totale de hanche en matériau céramique. Pour ce cas d’étude, l’objectif est d’identifier, au regard des typologies de défauts, leurs conséquences sur l’apparition d’un phénomène sonore assimilable à du grincement appelé le squeaking. La démarche reprend les mêmes étapes que celles utilisées avec l’étude de la bride. Différents dispositifs expérimentaux sont mis en place confirmant la pertinence de cette approche. Des mesures spécifiques apportent des éléments d’analyse et de compréhension sur le comportement dégradé de la liaison. Ce travail de thèse s’inscrit dans une collaboration entre 3 laboratoires : SYMME d’Annecy, I2M-IMC de Bordeaux-Talence, et la société Tural localisée à Marignier (74), laboratoire de recherche industrielle qui travaille sur des implants médicaux. / The performance of a mechanism is closely correlated with the accuracy of the surfaces that make up the mechanical joint. The most common approach used to study these surfaces is based on strong assumptions about their behavior. Form errors and roughness are neglected and the surfaces are assumed infinitely rigid. The main objective of this work is to develop an original approach to study the impact of form errors on the assemblies. It is mainly based on a methodology and associated tools to predict which defects will optimize or penalize the functional requirements of the assembly. In this manuscript, two case studies are proposed. In a first step, a plate flange (ball and cylinder joints added to a planar joint) is designed to validate the overall approach. Modal decomposition of defects, sum-surface concept, the determination of a stable contact area and quantification of contact deformation of surfaces correspond to the main theoretical tools used in this framework. The influence of form errors on the positioning accuracy is quantified by a clearance domain. Comparisons between theoretical approach and experimental setup are used to validate the models. Subsequently, a spherical joint is considered corresponding to a total hip implant with ceramic material. The objective of this study is to identify which type of form errors can impact the appearance of the squeaking phenomena. The same procedure is followed as for the first example. In parallel, several experimental devices are designed to validate the relevance of this approach. Specific measurements provide some key elements to understand the behavior of the implant subject to squeaking. This work is part of a collaboration between three laboratories : SYMME Annecy, I2M-IMC Bordeaux, and Tural company located in Marignier (74), an industrial research laboratory working on medical implants.

Utilizando-se um poliuretano derivado de óleo de mamona desenvolvido para implantes ósseos, aonde este vem demonstrando ser biocompatível e apresentando características fisico-químicas semelhantes às dos ossos, estuda-se o comportamento mecânico deste material quando reforçado por fibra de carbono, juntamente com uma metodologia de fabricação de hastes de implante de quadril. Avaliou-se o efeito da fração volumétrica em fibra nas propriedades mecânicas do compósito, bem como, a influência da realização de um tratamento superficial da fibra de carbono por método químico, visando melhorar a adesão interfacial fibra/matriz. Foram realizados ensaios mecânicos nos corpos de prova em compósitos e nas hastes fabricadas para avaliar a resistência mecânica sob carregamentos quase-estáticos. Também foram realizadas simulações computacionais da haste, juntamente com o dispositivo de ensaio projetado, para comparação com os resultados experimentais. Para isto, utilizou-se o programa ANSYS®, que é um sistema de engenharia auxiliado por computador (Computer Aided Engineering - CAE) e utiliza o Método dos Elementos Finitos como ferramenta de análise estrutural. Resultados satisfatórios foram obtidos nos ensaios mecânicos do poliuretano reforçado por fibra de carbono, viabilizando sua aplicação no projeto de hastes de implante de quadril. / The polyurethane derived from castor oil has demonstrated excellent biocompatibility and similarity to the physical and chemical properties of the human bone. In order to use this material in the design of hip implant stems, this work investigates its mechanical behavior when reinforced by carbon fibers. A manufacturing methodology for hip implant stems is also proposed and validated. The effects of fiber volume fraction and superficial treatments on the carbon fibers are evaluated in terms of the mechanical properties of the polyurethane and of the composite. Mechanical tests were performed in the manufactured stems to evaluate the strength under quasi-static loading. Computational simulations of the stem and testing devices were also performed by using the Finite Element Method and the commercial package ANSYS®. The results obtained are quite satisfactory which validates the application of the carbon fiber reinforced polyurethane in hip implant stems.