Ce travail de thèse avait comme objectif l'amélioration des outils de planning préopératoire tridimensionnels (P3D) pour l'arthroplastie totale de la hanche. Lors de l'utilisation d'implants sans ciment, une bonne stabilité primaire est requise pour obtenir une ostéointégration satisfaisante. Pour cela, une sélection appropriée de la taille et de la position de la prothèse est indispensable. En utilisant des images scanner obtenues par tomographie à rayon X de la hanche des patients, le chirurgien peut se servir du P3D pour faire la sélection de l'implant et anticiper sa position finale. Aujourd'hui, les méthodes de planning disponibles ne fournissent pas de critère mécanique qui pourrait refléter la qualité du contact os-implant. Nous proposons une méthode pour l'amélioration du P3D basé sur une analyse vibratoire par éléments finis pour le calcul de paramètres mécaniques personnalisés et liés á la stabilité primaire. Nos résultats suggèrent que la réponse modale de la tige est très sensible aux changements de l'aire de contact et de la raideur apparente de l'interface os-implant. Une transition marquée du comportement modal associée à un ancrage plus ou moins bon a permis de définir des seuils qui pourraient potentiellement discriminer des implants stables et instables dans le cadre du planning. Nous avons aussi étudié l'effet de la procédure de râpage et son possible impact sur le P3D. L'effet de la râpe sur la microstructure de l'os à l'interface os-implant a été analysé ex-vivo à l'aide d'images de micro-scanographie. Une distribution spatiale de la raideur de l'os en contact avec l’implant a aussi été obtenue par indentation des mêmes pièces anatomiques. / This thesis work is concerned with the enhancement of three-dimensional preoperative planning (P3D) tools for total hip reconstruction. When cementless implants are used, primary stability is vital for a good osseointegration. For this, a correct selection of the size and position of the implant is necessary. The surgeon may use P3D based on the computed tomography scanner of the patient’s hip to optimally select the implant’s size and anticipate the final implant’s position. Available planning methods lack a mechanical criterion reflecting the actual quality of the bone-implant contact. In this work we propose a method to improve P3D using a vibrational finite element analysis to calculate patient-specific mechanical parameters representative of primary stability. We found that the modal response of the stem is very sensitive to changes of the area and apparent stiffness of the bone-implant interface. A clear transition between loose and tight contact allowed the definition of thresholds that could potentially discriminate between a stable and an unstable stem. We also studied the effect of the broaching procedure and its relevance for P3D. The effect of broaching on bone microstructure at the bone-implant interface was analyzed using cadaveric samples and micro-computed tomography. A mapping of the stiffness of bone in contact with the implant was obtained with indentation on the same cadaveric samples.

La Prothèse Totale de Hanche Double Mobilité (PTH-DM) a été inventée pour conjuguer l’usure faible du concept de low friction tout en proposant une solution au problème de la luxation. La Double Mobilité présente différentes composantes et ses indications sont diverses.Une étude clinique à long terme a permis de définir les avantages et échecs de ce concept. Une complication spécifique est la Luxation Intra Prothétique (LIP) ou usure de la collerette de rétention de l’insert en polyéthylène. Différentes formes peuvent être rencontrées.L’objectif principal de notre travail était de comprendre le fonctionnement de la Double Mobilité, c’est-à-dire le rôle respectif des 2 mobilités et de la collerette ainsi que leurs profils d’usure.Les objectifs secondaires étaient de comprendre les échecs, le descellement de cupule et la luxation intra-prothétique et de définir des pistes d’optimisation de l’usure.Plusieurs techniques d’analyse d’usure, à différentes échelles ont été élaborées. La profilométrie mécanique permet d’étudier la rugosité de surface, la microscopie électronique à balayage recherche les mécanismes d’usure. La cartographie CMM permet d’appréhender les paramètres de forme et d’ondulation. Nous proposons une nouvelle technique pour augmenter l’analyse qualitative de l’usure. L’analyse FE complète ces moyens, qui ont été appliquées sur des explants. 3 groupes d’explants, constitués par les inserts ayant fonctionnés plus de 15 ans sans LIP, les inserts issus de LIP et les inserts récents, le dessin et le matériau de l’insert ayant été modifiés.Les trois groupes ont été comparés. La LIP a pu être identifiée comme liée à l’usure de la collerette. Cette usure est majoritairement composée par l’usure externe de la collerette, elle-même liée aux propriétés du col de la tige fémorale.Les explants de plus de 15 ans ont présenté une usure d’environ 45 mm3/an, comparable aux implants métal-polyéthylène. Les méthodes standard d’analyse d’usure radiographique ne peuvent pas être appliquées à l’analyse des PTH-DM. Les dimensions de la cupule métallique et les caractéristiques du col fémoral prothétique étaient les seuls facteurs influant sur l’incidence de LIP. Une ébauche de modélisation de fonctionnement de la PTH-DM a pu être proposée en se basant sur les données des explants. La deuxième mobilité, par son rôle de réserve de mobilité, permet de diminuer l’usure globale et doit être encouragée. La collerette de rétention constitue également un point clé du concept et possède un rôle dans la survie. / Dual Mobility Total Hip Arthroplasty (DM-THA) was invented to combine the low wear of low friction while providing the solution to the problem of dislocation. Dual Mobility has different components and indications are diverse. A clinical long-term study of a PTH-DM first line has identified the benefits and failures of this concept. A specific complication is Intra Prosthetic Dislocation (IPD. Different types of IPD can be encountered. The main objective of our work was to understand the functioning of the Dual Mobility, the respective roles of the two mobilities and retention and their wear profiles. Secondary objectives were to understand the failures, loosening of the cup and intra-prosthetic dislocation and define an optimization of wear. Material and Methods: Several wear analysis techniques at different scales have been developed. Mechanical profilometry was used to study the surface roughness, the scanning electron microscopy researched the mechanisms of wear. CMM allowed us to understand the shape and waviness parameters. We suggested a new technique to increase the qualitative analysis of wear. The FE analysis would complete these means, which were applied to the explants. 3 groups of explants, formed by the liners having functioned for over 15 years without IPD, IPD and more recent liners, the design and material of the insert having been changed. Results: The three groups were compared. IPD has been identified as related to wear of the rim. This wear was mainly composed by the wear of the outer side of the rim, which was itself related to the properties of the neck of the femoral stem. Explants over 15 years showed wear about 45 mm3/year, which was at least comparable to standard metal on polyethylene implants. Standard wear analytical methods could not be applied to the analysis of DM-THA. The dimensions of the metal back and characteristics of the prosthetic femoral neck were the only factors affecting the incidence of IPD. Discussion: A schematic model of the functioning of DM-THA has been given based on the data of the explants. The second mobility, through its role as a reserve of mobility, reduces the overall wear and should be encouraged. The retentive rim is also a key point in the design and has a role in the implant survival. The wear data were still incomplete and there will be further work to improve our work at the statistical level.

Ce travail porte sur l’étude du comportement biomécanique d’un modèle cadavérique et d’un modèle in vitro de l’arthroplastie totale de hanche. Nous avons cherché à mettre en relief et à étudier des paramètres qui pouvaient nous permettre de disposer d’une méthode d’analyse objective de la stabilité de l’implant acétabulaire. La première partie décrit le contexte de l'étude. Nous avons insisté sur les différentes méthodes d’analyses qui permettent d’analyser la stabilité d’un implant osseux. En effet, malgré l’utilisation quotidienne des implants, le taux d’échec d’ostéointégration reste élevé. Ces échecs s’accompagnent d’une morbidité importante et d’un surcout notable. Parmi les causes d’échec identifiées, le descellement aseptique de la cupule acétabulaire dans l’arthroplastie de hanche peut être lié à un défaut de stabilité primaire, non obtenu lors de l’intervention chirurgicale. Il a été montré que le descellement de la cupule acétabulaire pouvait résulter d'une faible stabilité primaire entre la cupule et l'os l'entourant. Les chirurgiens qui pratiquent l’arthroplastie de hanche évaluent de manière empirique la stabilité obtenue ou non de l’implant acétabulaire en écoutant le son produit lorsqu'ils impactent la cupule ou à leur ressenti en la manipulant. Une méthode d'estimation de la stabilité primaire pourrait permettre au chirurgien orthopédique de mieux appréhender la stabilité des implants qu’il pose au bloc opératoire. L'objet principal de ce travail de thèse était ainsi d'étudier les signaux d'impacts sur le cotyle prothétique. Dans un premier temps, nous avons réalisé une étude de l'insertion de la cupule par impacts sur un modèle cadavérique (sujets anatomiques de l’école de chirurgie du fer à moulin) dans des conditions proches de celle de l'opération en clinique. Une corrélation a été trouvée entre le moment d'impact et la stabilité (R2=0.69). Cette étude expérimentale a ainsi montré le potentiel de la méthode de traitement des signaux d'impact dans la prédiction de la stabilité primaire de la cupule acétabulaire. Mais nous avons observé des modifications entre les signaux obtenus sur les différents sujets. Nous avons posé comme hypothèse que ces modifications étaient liées à la variation des tissus mous entre chaque sujet. Le troisième volet de cette thèse a donc porté sur l’analyse du comportement biomécanique de notre modèle en présence d’une quantité plus ou moins importante de muscle.Nous avons utilisé à nouveau le modèle in vitro que nous avions développé et avons ajouté dans le système d’impaction des tranches de poitrine de dinde d’épaisseur variable. Le but de cette seconde étude était d’intégrer le paramètre lié à l’existence d’une épaisseur variable de tissus mous dans l'interaction dynamique entre le marteau, l'ancillaire (et la cupule) et le tissu osseux lors de l'insertion. La valeur de la moyenne et de l’écart-type de l'indicateur Im obtenues pour tous les échantillons et toutes les configurations pour une valeur d’épaisseur des tissus mous égale à 10 mm (respectivement 30 mm) étaient égales à 0,592 ± 0,141 (respectivement 0,552 ± 0,139). L’analyse statistique a montré qu'il n'y avait pas eu d'effet significatif de la valeur de l’épaisseur des tissus mous sur les valeurs de l'indicateur Im (F = 3,16; p = 0,08). Malgré les limitations évidentes d’une étude in vitro sur un modèle partiel d’arthroplastie totale de hanche, ces résultats, ainsi que les résultats précédents obtenus sur les sujets anatomiques, montrent la faisabilité du développement d'un dispositif médical dédié à l'estimation de la stabilité de l'implant acétabulaire et qui pourrait être utilisé comme système d'aide à la décision par le chirurgien orthopédique. / Abstract:This work studies the biomechanical behavior of a cadaveric model and an in vitro model of total hip arthroplasty. We sought to highlight and study parameters that could allow us to have a method of objective analysis of the stability of the acetabular cup implant.The first part describes the context of the study. We have emphasized the different methods of analysis that make it possible to analyse the stability of a bone implant. Indeed, despite the daily use of implants, the failure rate of osseointegration remains high and failures still happen due to inadequate mechanical behavior of the prosthesis.Among the identified causes of failure, aseptic loosening of the acetabular cup after hip arthroplasty may be related to a primary defect in stability, not achieved during the surgical procedure. It has been shown that loosening of the acetabular cup may result from poor primary stability between the prosthetic cup and the surrounding bone.A method of estimating primary stability could allow the orthopaedic surgeon to better control the stability of the implants he poses in the operating room.The main purpose of this thesis work was to study the impact signals on the prosthetic acetabulum.Firstly, we carried out a study of the insertion of the cup by impacts on a cadaveric model. A correlation was found between impact time and stability (R2 = 0.69). This experimental study has thus shown the potential of the impact signal processing method in predicting the primary stability of the acetabular cup. But we observed changes between the signals obtained on the different subjects. We hypothesized that these changes were related to soft tissue variation between subjects.The third part of this thesis focused on analysing the biomechanical behavior of our model in the presence of soft tissues.We used again the in vitro model that we had developed and added in the impaction system turkey slices of varying thickness.The purpose of this second study was to integrate the parameter related to the existence of a variable thickness of soft tissues in the dynamic interaction between the hammer, the ancillary (and the cup) and the bone tissue during the insertion. The mean and standard deviation of the Im indicator obtained for all samples and configurations at a soft tissue thickness value of 10 mm (30 mm) was 0.592 ± 0.141, (respectively 0.552 ± 0.139). Statistical analysis showed that there was no significant effect of the value of soft tissue thickness on the values of the Im indicator (F = 3.16, p = 0.08). Despite the obvious limitations of an in vitro study on a partial model of total hip arthroplasty, these results, as well as the previous results obtained on anatomical subjects, show the feasibility of developing a medical device dedicated to estimating the stability of the acetabular implant and which could be used as a decision support system by the orthopaedic surgeons.

Placer une charge au niveau du membre inférieur est une approche sans fondement scientifique, utilisée par les cliniciens, pour renforcer certains muscles clés de la marche. Cette étude a déterminé les modifications du patron de marche lors de l’ajout d’une charge à la cheville parétique ou non parétique chez des personnes ayant une hémiparésie suite à un accident vasculaire cérébral et a comparé les résultats à ceux d’un groupe témoin. Il est supposé qu’une charge placée à la jambe parétique/non dominante (charge ipsilatérale) augmenterait les efforts (moments et puissance) à la hanche parétique/non dominante lors de l’oscillation et qu’une charge placée controlatéralement augmenterait les efforts lors de la phase d’appui principalement pour les abducteurs de hanche stabilisant le bassin dans le plan frontal. La marche avec et sans charge de cinq individus hémiparétiques chroniques et 5 personnes en santé a été analysée en laboratoire par l’enregistrement des forces de réaction du sol et des mouvements des membres inférieurs. Ces informations ont permis de calculer les paramètres temps-distance, les angles à la hanche parétique/non dominante et au tronc, les moments nets, les puissances et le travail mécanique à la hanche parétique/non dominante. Des tests statistiques non-paramétriques ont servi à déterminer l’effet de la condition, avec charge (ipsi- et controlatérale) ou sans charge et à comparer les résultats entre les deux groupes. L’ajout d’une charge n’a pas modifié la vitesse de marche des sujets. Les phases d’appui et d’oscillation étaient rendus plus symétriques par la charge, même si peu de différences apparaissaient dans le plan sagittal avec ou sans la charge. Dans le plan frontal, le moment abducteur de hanche des sujets hémiparétiques a diminué avec la charge controlatérale, tandis qu'il a augmenté chez les sujets en santé. L’utilisation d’une stratégie posturale ou dynamique au tronc pourrait expliquer la différence de l’effet de la charge sur le moment abducteur à la hanche. Au vu de ces résultats, il est nécessaire de poursuivre l’évaluation de cette approche de renforcement musculaire spécifique à la tâche avant d’en recommander son utilisation. / Adding a load on the lower limb is a non evidence-based approach used by clinicians to strengthen weak muscles that are important for faster gait. This pilot study was aimed at determining changes in the gait pattern in stroke individuals walking with a load on the affected or non-affected ankle and comparing their results to those of healthy control subjects. It is supposed that a load placed on the paretic/non-dominant leg (ipsilateral load) would increase efforts (moment and power) on the paretic/non-dominant hip during the swing phase and that a load placed contralaterally would increase efforts on this hip during the stance phase, particularly on the hip abductor muscles which stabilizing the pelvis in the frontal plane. The gait pattern of five chronic stroke participants and five healthy individuals was assessed in laboratory by ground reaction forces and infrared marker recordings. Time-distance parameters, affected/non-dominant hip and trunk kinematics (angles) as well as affected/non-dominant hip kinetics (nets moments, powers and mechanical work) were compared between three conditions (two with a load) at similar cadences using non-parametric statistical tests in both groups. Adding a load had no effect on gait speed in all participants. The load improved the swing and stance symmetry. Few changes in the sagittal plane with load were observed compared to without a load. In the frontal plane, stroke subjects showed a hip abductor moment decrease with the contralateral load while healthy controls showed an increase. Use of a dynamic or postural strategy at the trunk could explain the difference in the load effect on the hip abductor moment. These results require further investigations to assess this strength training specific to the task before recommending its use.

Pour répondre aux exigences du gouvernement fédéral quant aux temps d’attente pour les chirurgies de remplacement du genou et de la hanche, les établissements canadiens ont adopté des stratégies de gestion des listes d’attentes avec des niveaux de succès variables. Notre question de recherche visait à comprendre Quels facteurs ont permis de maintenir dans le temps un temps d’attente répondant aux exigences du gouvernement fédéral pendant au moins 6-12 mois? Nous avons développé un modèle possédant quatre facteurs, inspiré du modèle de Parsons (1977), afin d’analyser les facteurs comprenant la gouvernance, la culture, les ressources, et les outils. Trois études de cas ont été menées. En somme, le 1er cas a été capable d’obtenir les exigences pendant six mois mais incapable de les maintenir, le 2e cas a été capable de maintenir les exigences > 18 mois et le 3e cas a été incapable d’atteindre les objectifs. Des documents furent recueillis et des entrevues furent réalisées auprès des personnes impliquées dans la stratégie. Les résultats indiquent que l’hôpital qui a été en mesure de maintenir le temps d’attente possède certaines caractéristiques: réalisation exclusive de chirurgie de remplacement de la hanche et du genou, présence d’un personnel motivé, non distrait par d’autres préoccupations et un esprit d’équipe fort. Les deux autres cas ont eu à faire face à une culture médicale moins homogène et moins axés sur l’atteinte des cibles; des ressources dispersées et une politique intra-établissement imprécise. Le modèle d’hôpital factory est intéressant dans le cadre d’une chirurgie surspécialisée. Toutefois, les patients sont sélectionnés pour des chirurgies simples et dont le risque de complication est faible. Il ne peut donc pas être retenu comme le modèle durable par excellence. / In response to federal government requirements regarding wait times for elective hip and knee surgery, hospitals have adopted wait list management strategies, with variable success. This research examined organizational and systemic factors that made it possible to keep wait times within federally established limits of 6-12 months. We used a model based on Parsons’ model. Four dimensions were used to analyze the following factors: governance, culture, resources, and tools. Three cases studies were done: Case 1 was able to meet the requirements for six months but unable to sustain this level; Case 2 was able to maintain compliance with requirements for > 18 months; and Case 3 was never able to meet the requirements. Documents were collected and interviews conducted with people involved in the strategies. In all, eight interviews were conducted at each site and all documents related to each strategy were collected. The results indicated that the one hospital that was able to maintain compliance with the wait time requirements had specific characteristics: an exclusive mandate to do only hip and knee replacement surgery; motivated staff who were not distracted by other concerns; and a strong team spirit. The two other cases had to contend with a medical culture that was less homogeneous and they were less focused on meeting targets and had resources that were dispersed as well as unclear inter-organizational policies. In the end, the hospital factory model is appealing in the context of superspecialized surgery. However, because patients are selected for simple surgeries, with little risk of complications, it cannot be promoted as a sustainable model of excellence.

Introduction : L’influence de l’Index de Masse Corporelle (IMC) sur la récupération des paramètres de la marche après prothèse totale de hanche (PTH) et de genou (PTG) est méconnue. Peu d' étude se sont intéressées à l'influence de l’IMC sur la récupération des amplitudes articulaires actives à la marche (AAA) ou de la vitesse de marche après PTH et PTG. Notre objectif était d’évaluer cet impact en préopératoire et en post-opératoire par une évaluation clinique et biomécanique. Notre hypothèse était que l’obésité (IMC>30kg/m2) serait un facteur péjoratif de récupération des paramètres de marche.Matériel et méthodes : Après avoir effectué une revue systématique de la littérature sur la récupération fonctionnelle après prothèses totales du membre inférieur (PTH et PTG) afin de nous assurer de l’originalité de notre travail et de sa pertinence nous avons réalisé 2 études prospectives indépendantes : en incluant 76 PTH chez des patients coxarthrosiques d’une part et 79 PTG chez des patients gonarthrosiques d’autre part. Tous les patients bénéficiaient d’une analyse quantifiée de la marche en préopératoire et en post-opératoire (à 6 mois pour les PTH et à un an pour les PTG). Un groupe de témoins sains appariés suivait le même protocole. La vitesse de la marche, l’AAA de hanche et de genou, ainsi que des scores fonctionnels et de qualité de vie étaient évalués, pour tous les paramètres le gain était calculé. Les patients étaient répartis en 2 groupes : patients non-obèses (G1) : IMC<30 et patients obèses (G2) : IMC≥30 dans chacune des cohortes. Des t-tests appariés étaient utilisés pour évaluer (1) les différences pré- et post-opératoires entre G1 et G2, puis les différences de gain entre G1 et G2. Enfin une régression linéaire uni- et multivariée recherchait les associations entre l’IMC, la vitesse de la marche et les AAA.Résultats Pour les 2 cohortes : en préopératoire, la vitesse de la marche et les AAA étaient significativement plus bas chez les obèses. En post-opératoire la vitesse de la marche et les AAA étaient significativement plus bas pour tous les patients opérés d’une PTG ou d’une PTH comparativement au groupe témoin. En pré-opératoire les obèses étaient plus symptomatiques. Une différence significative était retrouvée entre G1 et G2 concernant l’amélioration de la douleur en faveur des obèses (sur le gain de WOMAC douleur pour les PTG et d’EVA pour les PTH). Pour tous les autres paramètres les gains n’étaient pas différents entre G1 et G2. La régression uni- et multivariée ne montrait pas de relation significative entre la vitesse de la marche, les AAA et l’IMC.Conclusion : L’IMC n’a pas d’effet délétère direct sur la récupération des paramètres de marche après une PTH ou une PTG. En effet malgré une symptomatologie pré-opératoire plus forte les patients obèses présentent une amélioration comparable en termes de gain aux patients non-obèses. Cependant les paramètres de marche post-opératoire après une PTH ou une PTG demeurent significativement plus bas que ceux des témoins et ce quel que soit l’IMC des patients opérés, sans récupération ad integrum clinique ou biomécanique de leur fonction de la hanche ou du genou. Ainsi l’obésité semble présenter un effet similaire sur la récupération des paramètres de marche après une PTH ou une PTG. / Introduction : Body Mass Index (BMI) impact on gait recovery after total hip and total knee arthroplasty (THA and TKA) remains misunderstood. Few studies have analyzed the influence of BMI on the recovery of hip and knee range of motion (ROM) during gait or walking speed after THA and TKA. Our objective was to assess this impact preoperatively and post-operatively using both 3D gait analysis and clinical assessment. Our hypothesis was that obesity (BMI> 30kg /m2) would be a negative factor in the recovery of gait parameters.Material and methods: After conducting a systematic review of the literature on functional recovery after total prostheses of the lower limb (THA and TKA) to ensure the originality of this work and its relevance we conducted 2 independent prospective studies: including 76 THA in hip osteoarthritis patients on the one hand and 79 TKA in knee osteoarthritis patients on the other hand. All patients had a quantified gait analysis of preoperatively and postoperatively (at 6 months for THA and 1 year for TKA). A control group of matched healthy people followed the same protocol. The gait speed, ROM hip and knee, as well as functional and quality of life scores were evaluated, for all parameters the gain was calculated. Patients were divided into 2 groups in each cohort: non-obese patients (G1): BMI <30kg/m2 and obese patients (G2): BMI≥30kg/m2. Paired t-tests were used to evaluate the pre- and post-operative differences between G1 and G2, then the differences in gain between G1 and G2. Finally, a uni- and multivariate linear regression sought associations between BMI, gait speed, and ROM.Results: In both cohorts: preoperatively, gait speed and ROM were significantly lower in obese patients. Postoperatively, walking speed and ROM were significantly lower for all patients undergoing TKA or THA compared with the control group. Preoperatively obese patients were more symptomatic. A significant difference was found between G1 and G2 regarding pain improvement in favor of the obese (on the gain of WOMAC pain for TKA and analogic pain scale for THA). For all other parameters the gains were not different between G1 and G2. Uni- and multivariate regression showed no significant relationship between gait speed, ROM and BMI.Conclusion: BMI has no direct negative effect on recovery of walking parameters after THA or TKA. Indeed despite a higher preoperative symptomatology obese patients show a comparable improvement in terms of gain to non-obese patients clinically and biomechanically. However, postoperative gait parameters after THA or TKA remain significantly lower than those of controls, regardless of the BMI of patients without full clinical or biomechanical recovery. Though, obesity appears to have a similar effect on the gait parameters recovery after THA or TKA.

Les céramiques bioinertes (zircone, alumine), sont utilisées dans des dispositifs médicaux pour l’orthopédie et l’odontologie. Leurs surfaces peuvent avoir plusieurs fonctions : fixation du dispositif dans le milieu vivant (ex : implants dentaires), rôle tribologique (prothèses articulaires)… Dans tous les cas, ces surfaces sont traitées pour maximiser leur performance, mais ces modifications peuvent entrainer des conséquences négatives. Ainsi, le 2e chapitre montre qu’introduire de la rugosité par sablage joue sur l’intégrité mécanique et sur la stabilité à long terme de l’alumine, de la zircone et d’un composite alumine-zircone. Par ailleurs, dans les prothèses articulaires, la lubrification joue un rôle fondamental pour minimiser l’usure et donc augmenter la durée de vie moyenne des implants, permettant en outre de favoriser l’adsorption de protéines réduisant le contact direct entre les deux surfaces glissantes. La chimie des surfaces (y compris la présence de contamination) peut modifier ces aspects. Dans le 3e chapitre de ma thèse j’ai étudié l’effet de la contamination et des différentes techniques de nettoyage permettant de la réduire sur la mouillabilité des matériaux typiquement utilisés dans les prothèses de hanche, et sur l’adsorption de protéines à leurs surfaces. Finalement, les cellules utilisent les protéines en surface comme points de fixation et identification. Les implants avec une surface capable de recruter plus de protéines aidant à l’adhésion des cellules auront plus des chances d’être intégrés que des implants recrutant des protéines qui empêchent l’adhésion. Dans le 4e chapitre, j’ai exploré un nouveau concept de modification de surface de la zircone consistant en un greffage d’organosilanes directement sur sa surface, de manière à prouver le potentiel de cette technique à améliorer l’ostéointegration sans diminuer la performance mécanique. / Bioinert ceramics (zirconia, alumina) are used in medical devices in orthopedics and dentistry. Their surfaces may provide different functions: fixation of the device in the living tissue (e.g. dental implants), tribological role(joint substitutions),… In all cases the surfaces are treated to maximize their performance, but this modifications may entail negative consequences. The use of roughness to promote osseointegration of implants is a common practice, especially on dental implants. Roughening is often conducted by mechanical treatments, the most common being sandblasting. Therefore, chapter 2 focus on the implications of roughening by sandblasting on the mechanical behaviour of zirconia, alumina and a zirconia-alumina composite, and the differences between them. The work brought in chapter 3 was carried out entirely during a six-month secondment at CeramTec GmbH. In a bearing couple, lubrication mechanisms are complex and wettability and proteins play a yet-to understand role. The study compared the wettability of different materials, their ability to welcome protein adsorption and the effect of different cleaning procedures on wettability measurements and protein adsorption. Finally, the influence of the surface on cell activity is not driven exclusively by roughness: chemical modifications of the surface may enhance the perception of cells for the surface, and by careful tuning of the surface properties one may achieve a better integration without the downsides of roughness. In chapter 4, we explored a novel modification of zirconia, based on known techniques in chemistry, which introduces molecules with special functional groups capable of rendering the surface friendlier for cell adhesion, and opening the window for new exciting developments in the field of bioinert ceramics.

Le but de cette thèse était d'explorer les relations entre le niveau de performance physique, le niveau d'activité physique usuel, les apports nutritionnels, les caractéristiques anthropométriques et le sommeil d'un côté et la densité minérale osseuse, la géométrie osseuse de la hanche et le trabecular bone score (TBS) de l'autre chez les jeunes adultes Libanais et Français agés de 18 à 35 ans. Dans un premier temps, nous avons mené 10 études préliminaires chez les jeunes adultes Libanais. Ces études ont montré que le poids, la masse maigre, la pratique d'activités physiques à impacts, la force maximale et le niveau de puissance musculaire sont des déterminants positifs de la DMO et que la pratique d'activités physiques à impats influence positivement les valeurs de TBS, les indices géométriques de résistance osseuse de la hanche (surface de la section transversale (CSA) et module de section (Z)) et les indices de résistance osseuse du col fémoral (Bending strength index (BSI), compressive strength index (CSI) et impact strength index (ISI)). Ces études préliminaires ont aussi montré des corrélations entre les apports protéiques et calciques d'une part et la DMO d'autre part chez les jeunes hommes. A la fin, une des études préliminaires a suggéré que la qualité de sommeil est associée à une meilleure DMO chez les jeunes hommes. Dans un deuxième temps, nous avons mené une étude sur 535 jeunes adultes français (342 femmes et 193 hommes) afin d'explorer les relations entre le niveau de performance physique, le niveau d'activité physique, la composition corporelle, les apports nutritionnels et la qualité du sommeil d'une part et les valeurs de BUA (Broadband Ultrasound Attenuation) d'autre part. Cette étude a montré que les caractéristiques anthropométriques (poids, IMC, masse grasse, tour de taille et tour de hanche) sont des facteurs corrélables à la BUA chez les femmes mais pas chez les hommes. D'autre part, il y avait une tendance de corrélation positive entre la performance en détente verticale et la BUA chez les hommes. En conclusion, cette thèse a pu définir un nombre important de facteurs corrélables à la BUA, à la DMO, à la géométrie osseuse et au TBS et a ainsi permis d'identifier de nouvelles relations entre les déterminants de santé et les paramètres osseux chez les jeunes adultes. / The aim of this study was to investigate the relations between physical performance level, physical activity level, nutritional intakes, anthropometrical characteristics and sleep on the one hand and bone mineral density, hip geometric indices and trabecular bone score (TBS) on the other hand in young Lebanese and French subjects aged to 18 to 35 years. In a first step, we led 10 preliminary studies in young Lebanese adults. These studies have shown that body weight, lean mass, high-impact physical activity practice, maximal strength and muscular power are positive determinants of bone mineral density, and that high-impact physical activity practice positively influences TBS values, geometric indices of hip bone strength (cross-sectional area (CSA) and section modulus (Z)) and femoral neck strength indices (Bending strength index (BSI), compressive strength index (CSI) and impact strength index (ISI)). These preliminary studies have also shown positive correlations between nutritional intakes (daily calcium intakes and daily protein intakes) and BMD values in young Lebanese men. Finally, one of these preliminary studies has shown that sleep quality is associated with a greater BMD in young men. In a second step, we led a study on 535 young French adults (342 women and 193 men) to explore the relations between physical performance level, physical activity level, nutritional intakes, anthropometrical characteristics and sleep on the one hand and BUA (Broadband ultrasound attenuation) values on the other hand. This study has showed that anthropometric characteristics (body weight, body mass index, waist circumference and hip circumference) are positively correlated to BUA values in women but not in men. On the other hand, we have noted a tendency of positive relation between vertical jump performance and BUA values in men. In conclusion, this thesis has defined an important number of factors significantly correlated to BUA, BMD, hip geometric indices and TBS and therefore permitted to identify new relations between health determinants and bone parameters in young adults.

La drépanocytose est la maladie moléculaire et héréditaire (transmission mendélienne récessive et autosomique) la plus répandue au monde. Elle est un problème de santé publique par sa gravité et ses implications socio-économiques dans de nombreux pays. Seuls les sujets homozygotes (SS) ou hétérozygotes composites (SC) sont malades, les hétérozygotes (AS) ne sont que des transmetteurs du gène S. Elle est la première cause d’OstéoNécrose de la Tête Fémorale (ONTF), douloureuse évoluant vers l’arthrose, en l’absence de traitement chez un patient jeune. La Guadeloupe compte 450.000 habitants, dont 12% sont porteurs de l’hémoglobine S. Le nombre des drépanocytaires est estimé à 1.200 dont les 3/4 sont suivis au Centre Caribéen de la Drépanocytose (CCD), créé en 1990. Le centre assure la prise en charge médicale des enfants dès leur naissance et des adultes malades. Nos activités au CHU de Pointe-à-Pitre, au CCD et à l’Unité INSERM-UMR S458 depuis juillet 1992 nous ont permis d’étudier: - le diagnostic de l’ONTF; - l’évaluation de l’hyperpression osseuse dans l’ONTF et l’évaluation du traitement par forage simple; - l’étude de l’impact de la prise en charge orthopédique précoce sur la survenue et l’évolution de l’ONTF. Notre étude concerne les patients drépanocytaires adultes homozygotes (SS) et double hétérozygotes (SC): - une série rétrospective de 1993-1994 [E-1994] portant sur 115 patients (58 SS, 57 SC) identifiés en 1984, sans suivi médical ni orthopédique; - une série prospective de 1995 à 2008 [E-2008] portant sur 215 patients (94 SS, 121 SC) avec prise en charge médicale et orthopédique. L’IRM est l’examen de référence pour le diagnostic de l’ONTF comme dans la nécrose idiopathique. En absence d’imagerie moderne, la radiographie traditionnelle réalisée de façon complète (profil et, surtout, faux profil), permet le diagnostic avant toute déformation. Seules les lésions cliniquement symptomatiques et évolutives (examen clinique itératif, contrôle radiologique, tomographie, TDM ou IRM) ont une indication opératoire. L’hyperpression intra osseuse, dans l’ONTF drépanocytaire, est significativement liée à la douleur (que les patients soient homozygotes ou hétérozygotes). Sa diminution a un effet antalgique objectif, observée après forage. Elle permet de confirmer le diagnostic d’ostéonécrose au stade précoce, dans les régions où l’IRM est inexistante. Un forage réalisé aux stades précoces de l’ONTF permet un arrêt rapide de l’évolution des lésions vers une arthrose, avec une efficacité certaine pour les stades I et II. Il garde une efficacité limitée pour le stade III. En plus de l’indolence apportée par la décompression, le bénéfice du forage se manifeste par l’allongement du délai avant arthroplastie (de 7,4 ± 2,7 ans). La technique est réalisable dans les régions sous équipées, où la drépanocytose est fréquente. La description histologique aux différents stades radiologiques de l’ONTF montre toujours des lésions de nécrose médullaire et osseuse. A l’inverse des lésions idiopathiques, les lésions drépanocytaires sont caractérisées par la présence d’une inflammation, en dehors de tout processus infectieux. Dans la littérature, la fréquente de l’ONTF drépanocytaire chez l’adulte est voisine de 40%, proche de celle observée dans [E-1994], notre population non suivie (36,5%). En comparant les études [E-1994] et [E-2008], la fréquence de l’ONTF passe de 36,5% à 14,4%. L’officialisation en 1992 d’une prise en charge médicale et d’un suivi orthopédique régulier au CCD et au CHU de Pointe-à-Pitre, a permis la réduction de la fréquence de l’ONTF et d’autres morbidités. Le rappel sur la drépanocytose révèle la complexité de la maladie, la variabilité de son expression clinique et de ses complications. L’amélioration de vie des patients nécessite une prévention primaire, secondaire et tertiaire, en l’absence d’un traitement spécifique de la maladie. La prise en charge médicale, complétée par une prévention et un traitement précoce (orthopédique ou chirurgical) telle que réalisés au CCD en Guadeloupe, a permis une réduction significative de la survenue de la nécrose de hanche et de ses complications. Pour une prévention tertiaire des complications ostéo-articulaires, nous suggérons: - une prise en charge médicale régulière des enfants et des adultes afin de réduire les crises vaso-occlusives; - une éducation des patients à la recherche de signes d’appel de l'ONTF et, aussi, d’autres articulations; - un examen clinique ostéo-articulaire lors des bilans annuels et après toute crise vaso-occlusive; - une attention particulière à l’adolescence (passage enfant-adulte), après une grossesse; - une prise en charge précoce, orthopédique ou chirurgicale conservatrice (forage ou ostéotomie) face à une nécrose, afin de réduire les complications invalidantes de l’ONTF. Sickle-cell anemia is the most widespread hereditary (autosomal recessive Mendelian transmission) molecular pathology in the world. It is a public health issue in many countries, due to its severity and socio-economic impact. Only homozygous (SS) and double heterozygous (SC) subjects are affected, heterozygous (AS) subjects merely transmitting the gene S. Sickle-cell anemia is the most frequent cause of osteonecrosis of the femoral head (ONFH), a painful condition which evolves towards osteoarthritis if not treated at an early age. Guadeloupe has a population of 450,000, 12% of whom are carriers of hemoglobin S. There are estimated to be 1,200 sickle-cell anemia sufferers, three-quarters of whom are followed in the Caribbean Sickle-Cell Center (Centre Caribéen de la Drépanocytose: CCD), which was set up in 1990. The Center provides medical care for adult patients and for children as of birth. Work has been ongoing since July 1992, in the Pointe-à-Pitre University Hospital, the CCD and the INSERM-UMR S458 research unit, focusing on: - diagnosis of ONFH; - bone hyperpressure measurement in ONFH and assessment of simple drilling treatment; - the impact of early orthopedic treatment on the onset and evolution of ONFH. The present study involved homozygous (SS) and double heterozygous (SC) adult sickle-cell anemia patients: - a retrospective series, from 1993 to 1994 [S-1994], including 115 patients (58 SS, 57 SC) identified in 1984, who had no medical or orthopedic care; - a prospective series, from 1995 to 2008 [S-2008], including 215 patients (94 SS, 121 SC), with medical and orthopedic care. MRI is the diagnostic gold-standard in ONFH, as in idiopathic necrosis. Where such modern imaging is not available, complete standard X-ray (lateral and especially false lateral) enables diagnosis to be made before deformity sets in. Surgery is indicated only for clinically symptomatic evolutive lesions on iterative clinical check-up, X-ray control, tomography, CT or MRI. Intraosseous hyperpressure in sickle-cell ONFH shows a significant correlation with pain, in both homozygous and heterozygous patients. Pressure reduction is objectively pain-relieving, as seen after drilling, and can confirm diagnosis of ONFH at an early stage, in places where MRI is not available. Drilling performed in the early stages of ONFH quickly arrests evolution towards osteoarthritis, with proven efficacy in grades I and II, and a certain degree of effectiveness in grade III. Over and above the pain-relief provided by decompression, drilling also enables hip replacement to be postponed, by 7.4±2.7 years. Moreover, the technique is feasible in those under-equipped regions in which sickle-cell disease is widespread. Histologic description of radiologic ONFH stages consistently finds medullary and bone necrosis. In contrast to idiopathic lesions, sickle-cell related lesions show inflammation without any associated infection. In the literature, the frequency of adult sickle-cell ONFH is reported to be nearly 40%, close to the 36.5% found in the S-1994 study of a non-treated population. In the S-2008 study of a population with medical and orthopedic care, ONFH frequency fell to 14.4%. The official provision of medical care and regular orthopedic follow-up in the CCD and Pointe-à-Pitre Hospital has reduced the frequency of ONFH and other morbidities. A review of sickle-cell disease reveals its complexity: the variability of its clinical expression and associated complications. Improving patients’ quality of life requires primary, secondary and tertiary prevention, in the absence of specific treatment. Medical care, supplemented by early prevention and treatment (orthopedic or surgical), as practiced in the Guadeloupe CCD, has significantly reduced the rates of ONFH and associated complications. We recommend the following CCD protocol for tertiary prevention of osteoarticular complications: - regular medical care for children and adults, to reduce the incidence of vaso-occlusive crises; - patient education in alarm signs of osteonecrosis of the femoral head and of other joints; - systematic osteoarticular assessment at yearly check-up and after all vaso-occlusive crises; - special focus on adolescence (child-to-adult transition) and following pregnancy; - early care, both orthopedic and by conservative surgery (drilling or osteotomy), in case of necrosis, to reduce the rate of disabling complications of ONFH

Ce travail concerne l'élaboration de couches minces de DLC (Diamond-Like Carbon) par ablation laser femtoseconde pour une application biomédicale : la prothèse de hanche. Les propriétés structurales, mécaniques et tribologiques des films de carbone ont été caractérisées et une tête sphérique de prothèse de hanche a été revêtue. Ce mémoire se divise en quatre parties : le premier chapitre présente les propriétés du carbone en couches minces, une revue des différentes techniques d'élaboration de ces films et les applications potentielles ou avérées de ces derniers. Le deuxième chapitre est consacré à la description des dispositifs expérimentaux utilisés lors de l'élaboration des revêtements et pour les différentes caractérisations. Le chapitre 3 expose les propriétés structurales, mécaniques et tribologiques pour les films élaborés et permet de valider la capacité de ces couches de ta-C (tetrahedral amorphous-Carbon) à répondre aux exigences du domaine biomédical. Le dernier chapitre est consacré au revêtement d'une tête sphérique de prothèse de hanche de diamètre 22,2 mm. Un décapage ionique in situ préalable au dépôt a été réalisé afin d'améliorer l'adhérence des films sur des substrats métalliques d'intérêt biomédical.