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7/22/2019 Biomecanique_de_l'os.pdf

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Biomécanique de l’os.Appl ication au trai tement des fractures P. M eyru eis A . Cazenave R. Z i m m e r m a n n

Résumé. – L’o s est u n ma téria u a nisot rop e et viscoélast iqu e. Il se form e et se résorbe en fon cti on des contrain tes mécaniques qu’ il subit (loi de Wolff). Sa résistance varie en fonction de la direction suivant laqu elle la char ge est a ppliq uée. L’os est p lus frag ile en t ension qu’ en compr ession. L’act ivit émusculair e mod ie les cont rai nt es suppor tées par les os in vivo . La consoli dat ion osseuse est i nuencée pa r d es fact eurs mécaniques : la qu estion la plu s import ant e est l e choix entr e une xati on stab le ou un e xati on in stable.L’ost éosynt hèse est sta ti que si sa rai deur n e chan ge pas pend ant la d urée de la con solida ti on. Si le foyer de fra ctu re a étéouvert une ostéosynt hèse sta ti que doit êtr e st abl e. L’ostéosynt hèse est dyn am iqu e q uan d on fait varier sa rai deur pendan t l a consolidat ion, p our am éliorer la form ati on du cal ou pour réduire le risque de fra ctu re it érat ive (cl ou et xat eur ext erne). L’ostéosynt hèse dynam iqu e peut êtr e relat ivemen t i nsta ble pend ant 5 ou 6 semain es pour fa vori ser le cal pério sté, et a près cela stab le jusqu ’àla n de la consoli dat ion .Le degréd’in stabilit équi favorise la consolidation pendant les premières semain es est encore inconn u.L’expéri ence mo nt re qu’elle doi t rest er mo dérée.© 20 03 Elsevier SAS. Tous dr oit s réserv és.

M o t s-c l és : Os ; Biomécani que ; Consoli dat ion ; Ostéosynt hèse sta ti que ; Ostéosynt hèse dy na mi que ; Ost éosynt hèse stab le

I n t r odu ct i on

Les fractures peuvent être traitées en suivant les principes émis parcertaines écoles renommées. Le chirurgien doit cependant garderl’esprit ouvert aux nouvelles idées, sans succomber aux modespassagères. Il doit pour cela s’appuyer sur les notions fondamentalesconcernant la consolidation osseuse et ses bases mécaniques.Les notions essentielles concernant la consolidation osseuse ont été

exposées dans un autre article de ce traité.Ce travail qui lui fait suite est consacré aux caractéristiquesmécaniques de l’os et à la biomécanique de la consolidation. Nousespérons que le lecteur trouvera dans ces pages les règles quiguideront ses choix thérapeutiques.

B i om éca n i qu e d e l ’ o s

C A R A C T É R I S T I Q U E S M É C A N I Q U E S D E S M AT É R I A U X

Un bref rappel des notions de base est indispensable avantd’envisager les propriétés mécaniques de l’os, tissu vivant destructure complexe, et celles des implants utilisés pourl’ostéosynthèse des fractures.

¶ D éni t i on s

ForceUne force est une action ou une inuence telle qu’une traction ouune pression qui, appliquée à un corps libre, tend à l’accélérer ou àle déformer (force = masse× accélération). Elle se dénit par sonpoint d’application, sa direction et son intensité.Un newton est une force qui, appliquée à une masse de 1 kg luidonne une accélération de 1 m par seconde carrée.

ContrainteUne contrainte (stress) peut être dénie comme la résistance interneà la déformation, ou la force interne produite dans un matériau parl’application d’une charge extérieure.

Contrainte = charge / surface d’application de la chargeSuivant le système international, les contraintes sont exprimées ennewtons par mètre carré (1 N/m2 = 1 Pa), parfois en N/mm2(1 N/mm2 = 1 mégapascal ou MPa). Toutefois, de très nombreusespublications expriment encore les contraintes en kilogrammes-forcepar millimètre carré (kgf/mm2 ). 1 kgf/mm2 = 9,81 MPa, c’est-à-direen pratique 10 MPa.

Une grande partie des mesures concernant l’os ont été effectuées enutilisant les kgf/mm2 . Nous conserverons donc ces unités. Le lecteurobtiendra les résultats en MPa en multipliant les chiffres indiquéspar 10.Forces et contraintes peuvent être classées en tension (traction),compression, exion, torsion et cisaillement (Fig. 1).La tension tend à allonger le matériau et à le rétrécir. Inversement,la compression le raccourcit et l’élargit. Les deux agissentperpendiculairement à la surface du matériau.Le cisaillement (shear stress) agit parallèlement à cette surface.La torsion provoque dans le matériau des contraintesperpendiculaires à l’axe neutre de la structure.

P. Meyrueis (Ancien professeur du Service de Santédes Armées, chirurg ien d esHôpitau x) Adresse e-mail: [email protected] 64 rue de Metz, 83200, Toulon, France.A. Cazenave (Ancien chir urgien des Hôpitaux des Armées) Institut Calot, 1 rue du Docteur-Calot, 62 600, Berck-sur-Mer, France.R. Zimmermann (Ancien chi rurg ien des Hôpitaux des Armées) 64 rue de Metz, 83200, Toulon, France.

E n c y c l o p é d i e M é d i c o - C h i r u r g i c a l e

1 4

- 0 3 1

- A - 3

0

( 2 0 0 4 )

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Déformation relativeLa déformation relative que les Anglo-Saxons d ésignent sous leterme de strain est la déformation d ’un mat ériau r ésultant del’application d ’une force ou d ’une charge.Il existe deux types de d éformations relatives :

– les déformations en tension ou en compression qui s ’expriment leplus souvent en pourcentage de la longueur initiale ( D L/L) ou en

centim ètres par centim ètre (Fig. 2) ;– les déformations en cisaillement qui repr ésentent le pourcentagede d éformation angulaire du mat ériau et qui s ’expriment en radians(Fig. 3).

¶ Essais en t r act ion. M odule de Youn g

La méthode la plus employ ée pour d éterminer les caract éristiquesmécaniques de base d ’un mat ériau consiste à réaliser un essai derésistance à la traction conform ément à la norme ISO 6892.Une éprouvette de forme et de dimensions standardis ées est tailléedans le mat ériau à étudier. Deux rep ères distants d ’une longueur Lsont point és le long d ’une g énératrice de la partie cylindrique.

L’essai consiste à enregistrer, au moyen d ’une machine de traction,l’évolution D L de la distance entre ces deux rep ères en fonction de

la force F, appliqu ée parall èlement à l’axe à chaque extr émité del’éprouvette (Fig. 2).La courbe (force/allongement) obtenue d épend du mat ériau, maiségalement des dimensions de l ’éprouvette. Pour obtenir une courbeind épendante des dimensions de l ’éprouvette, on rapporteusuellement la force F à la section initiale S de l ’éprouvette. On parlealors de la contrainte ( stress) nominale de traction : a = F/S, quis’exprime en (MPa) ou en kgf/mm 2 .De la même façon, l’allongement DL est rapport é à la longueurinitiale L pour donner la d éformation ( strain) linéaire DL/L, quis’exprime en pourcentage.On obtient ainsi la courbe (contrainte/d éformation) caract éristiquedu mat ériau.En examinant un exemple de courbe (contrainte/d éformation)(Fig. 4), on observe trois zones distinctes.

Zone d ’élasticité (partie OA de la courbe)

Cette partie de la courbe est assimilable à un segment de droite,c’est-à-dire que la d éformation est proportionnelle à la contrainteexercée sur l ’éprouvette ou sur l ’implant. C ’est la loi de Hooke(1676).Le rapport : E = contrainte / d éformation est une constante appel éemodule d ’élasticité en traction ou module de Young.

1 2 3

4 5 6

Figure 1 Différents types de charges et de force. 1. Tension ; 2. compression ;3. exion ; 4. cisaillement ; 5. torsion ; 6. charge combinée torsion-compression.

Lo

F

Lo + L

Figure 2 Principe du test de résistance à la traction.

L

TT

Figure 3 Essaien torsion :u / L = T / GJ. L’anglede torsionU estinversementpro- portionnel à la rigidité en torsion GJ. La rigidité en torsion dépend du module de ci-saillement du matériau (G) et d’unparamètre géométrique, le moment polaire d’inertie(J). T : force de torsion.

1 2 3

A

D

BC

D'O

Déformation (%)

Contrainte(kg/mm 2)

εAεD εB εC

σBσDσC

σA

Figure 4 Courbe contrainte déformation d’un matériau. 1. Zone d’élasticité ; 2.zone de déformation plastique ; 3. zone de rupture.

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2



Il est exprim é en MPa ou en kgf/mm 2 , et il est l’expression de lapente de cette partie de la courbe.L’élongation (A) est proportionnelle à la force (F) qui la provoque etinversement proportionnelle au module d ’élasticité (E) : A = F / E.

Le module de Young est d ’autant plus grand que le mat ériau estplus rigide.Tant que l ’on applique à un implant une contrainte inf érieure à r A

(qui est la limite élastique ou yield stress du mat ériau), la suppressionde cette contrainte permet à l’implant de reprendre ses dimensionsinitiales (la d écharge s ’effectue sensiblement sur le m ême cheminque la charge, c ’est-à-dire suivant la partie OA de la courbe). Ladéformation est élastique.e A est la d éformation produite par r A ; c’est la plus grandedéformation élastique du mat ériau ( yield strain).

Zone de d éformation plastique (partie AB de la courbe)

Au-del à du point A, la pente de la courbe diminue jusqu ’à s’annuler.C’est-à-dire qu ’à une faible augmentation de la contrainte appliqu éecorrespond une forte augmentation de la d éformation.En outre, cette d éformation n ’est plus enti èrement r éversible. Si pourun niveau de contrainte r D la charge est lentement r éduite, il enrésulte une d écharge le long de D ’D, pratiquement parall èle à OA.Lorsque la contrainte est ramen ée à zéro, il subsiste une d éformationrésiduelle e D (on parle de d éformation plastique). C ’est ce que lechirurgien r éal ise t r ès souvent en modelant une plaqued’ostéosynth èse. C’est également le cas pour l ’incurvation d ’un desdeux os de l ’avant-bras de l ’enfant lorsque l ’autre os est fractur é.Si l’on effectue une nouvelle mise en charge à partir du point D ’, on

constate une évolution élastique le long de D ’D, puis une évolutionplastique le long de DB. La limite élastique du mat ériau estmaintenant r D (supérieure à r A ) ; les propri étés du mat ériau ontdonc été modi ées. On dit que le mat ériau a été écroui ou qu ’il asubi un écrouissage ( strain hardening ).Écrouir un m étal ou un alliage consiste donc à le travailler sous desefforts sup érieurs à sa limite d ’élasticité pour le transformer en unautre corps à limite d ’élasticité accrue, mais à domaine plastiqueréduit.L’écrouissage peut être obtenu en m étallurgie par forgeage, étirageou laminage à froid. Le r échauffement à forte temp érature de cemétal écroui lui rend ses qualit és initiales. C ’est le ph énom ène durecuit. L ’usinage d ’un implant entra î nant des écrouissages locaux, ilest assez souvent recuit pour lui rendre ses propri étés initiales.

Zone de rupture (partie BC de la courbe)Au-del à du point B, la pente de la courbe devient n égative. Larupture a lieu pour la contrainte r C .r C est appel ée contrainte de rupture ( ultimate stress ou fracture stress)du mat ériau.e C est la déformation produite par r C . C’est la d éformation pourlaquelle la rupture a lieu ( ultimate strain ).r B est appel ée résistance à la traction ( tensile strength ). C’est lacontrainte nominale maximale du mat ériau. C ’est cette valeur quiest généralement donn ée pour caract ériser la r ésistance d ’un m étal.Pour les m étaux utilis és en orthop édie, elle est tr ès voisine de lacontrainte de rupture r C .Un mat ériau est cassant s ’il se rompt rapidement d ès que sa limiteélastique est atteinte. Sa plasticit é est faible ou nulle. C ’est le cas dutitane.La ductilit é ou mall éabilit é caract érise un mat ériau apte à sedéformer dans la zone de plasticit é, comme par exemple le cuivre.

¶ Essais en exion

Il existe diff érentes techniques de tests en exion. Elles varient enfonction du mode d ’appui [encastrement ou appui simple du

nombre d ’appuis] [ exion trois points (Fig. 5) ou quatre points(Fig. 6)] et du mode de chargement. Les éprouvettes doivent êtrelongues et portent dans ce cas le nom de poutres. Nous ne pouvonspas entrer dans le d étail de la th éorie des poutres. Nous indiquonsseulement quelques notions essentielles : en soumettant une poutre(mais aussi l ’os, un implant ou le composite os-implant) à des testsen exion, on provoque une d éformation de cette poutre. Sa facesup érieure devient plus courte que sa face inf érieure. La facesup érieure est en compression et la face inf érieure en exion. Lapoutre est en fait soumise à un gradient lin éaire de contraintes allantde la compression à la exion. Il y a donc une zone de la poutredans laquelle les contraintes sont nulles. Cette zone correspond à unplan de sym étrie horizontal appel é plan neutre de la poutre.

¶ Essais en tors ion

Un cylindre subit une contrainte en torsion lorsque ses extr émitéssont soumises à un couple (forces parall èles travaillant dans des

Compression

F

Traction

1

Figure 5 Essai de exion trois points.

P

e

L

δ

P

a a

l / 2 l / 2

δ = P a (31 2 - 4a 2)

E I = P a (31 2 - 4a 2)

E I 24

δ 24

Figure 6 Essai de exion quatre points. La exion d est inversement proportion-nelle à la rigidité en exion EI. La rigidité en exion dé pend du module d’é lasticité (E)du maté riau et du moment d’inertie (I), qui dé pend lui-mê me des dimensions del’é prouvette rectangulaire. EI : rigidité en exion ; E : module d’é lasticité du maté riaude la poutre ; I = Le3 / 12.

Appareil locomoteur Biom é caniquedel ’ os. Appl ication au tr aitement desf ractures 14-031-A-30

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directions oppos ées) dont le plan est perpendiculaire à l’axe ducylindre. Les contraintes de torsion se manifestent en spiralescontinues tout le long de l ’objet.

Si on applique un couple de torsion (Fig. 3) aux extr émités d’uneéprouvette, on observe sur la courbe (couple appliqu é/angle detorsion) un comportement identique à celui obtenu lors de l ’essai entraction. La courbe pr ésente une partie lin éaire élastique, puis unezone plastique non lin éaire jusqu ’à rupture.Si en traction, pour une section circulaire de l ’éprouvette, lacontrainte dans celle-ci est inversement proportionnelle au carr é dudiam ètre, en torsion elle est inversement proportionnelle au cube dece diam ètre.Pour un cylindre creux et pour une m ême section, ce cylindre estd’autant moins contraint en torsion que le diam ètre ext érieur estimportant.

¶ Essais en fat igue

Un mat ériau peut se rompre sous une contrainte inf érieure à salimite élastique s ’il est soumis à des contraintes cycliques : c ’est le phé nomène de fatigue.Un des essais les plus pratiqu és pour d éterminer le comportementen fatigue d ’un mat ériau consiste à soumettre une éprouvette à unessai en torsion altern ée et exion rotative. A n que les bres dumat ériau soient successivement comprim ées puis tendues,l’extr émit é de l’éprouvette est soumise à une rotation cyclique,tandis qu ’une charge est appliqu ée à l’autre extr émité. La charge

étant connue, on rel ève le nombre de cycles pour lequel la rupturede l’éprouvette survient. La courbe (charge/nombre de cycles à larupture) obtenue est appel ée courbe de Woehler.En examinant un exemple de courbe de Woehler (Fig. 7), on constategénéralement que :

– le nombre de cycles que supporte un mat ériau avant rupturediminue quand la charge appliqu ée augmente ;

– il existe une valeur de la charge en de çà de laquelle, quel que soitle nombre de cycles la rupture ne se produit pas.Cette valeur de la charge est appel ée limite de fatigue ou limited’endurance. Pour les alliages habituellement utilis és en orthop édie,

elle varie autour de 50 % de la charge de rupture.Soumis à une charge sup érieure à la limite de fatigue, le mat ériaucasse inéluctablement apr ès un certain nombre de cycles. Soumis àune charge inf érieure à la limite de fatigue, il ne casse pas.L’endurance d ’un implant augmente avec le taux d ’écrouissage. Unimplant recuit, tr ès plastique, a une limite de fatigue basse.Compte tenu des charges qu’ils supportent, une plaque d’osté osynthèseou un clou centromé dullaire sont au-dessous de la limite de fatiguelorsque la fracture est consolidé e. Dans ces conditions, ils ne cassent pas.Ils cassent en revanche obligatoirement pour un nombre de cycles pré dé terminé si la fracture ne consolide pas, car l’implant travaille au-dessus de sa limite de fatigue.

On estime habituellement à 2 millions le nombre de cycles decontraintes support és par un implant du membre inf érieur en 1 an.Le lecteur in t éress é peut t rouver p lus de d éta i ls sur lescaract éristiques m écaniques des mat ériaux utilis és pour la

fabrication des implants destin és à l’ostéosynth èse, dans notre articlede l ’Encyclop édie Médico-Chirurgicale. [42]

C A R A C T ÉR I S T I Q U E S M ÉC A N I Q U E S D E L ’O S

La connaissance des caract éristiques m écaniques de l ’os estindispensable pour la compr éhension du m écanisme des fractureset pour le choix des techniques th érapeutiques.Un jour de 1866, au cours d ’une r éunion de naturalistes, Hermanvon Meyer pr ésentait une section frontale de l ’extrémité sup érieuredu f émur. [59] Parmi les auditeurs se trouvait Culmann, ing énieur etmath ématicien de renom. Celui-ci fut frapp é par la dispositiontrab éculaire ordonn ée de l’os. Cette extr émit é osseuse avait lesmêmes caract éristiques qu ’une grue de type Fairbain dont les lignesde contra intes maximales ét a ien t connues . Ces l ignescorrespondaient au syst ème de trav ées osseuses. Culmann proposaaux biologistes une loi à conrmer : le squelette est élabor é demani ère à supporter le maximum de charge avec le minimum demat ériel [25] .L’idée fut accept ée et en 1870 Wolff [64] énon çait sa fameuse loi selonlaquelle l ’os se forme en fonction des contraintes auxquelles il estsoumis.

¶ M oyens d ’é t u d e

Ce n ’est que depuis la Deuxi ème guerre mondiale que lescaract éristiques m écaniques de l ’os ont fait l ’objet de nouveauxtravaux.Diff érentes techniques ont été utilisées :

– tests m écaniques tels que ceux que nous avons évoqu és à proposdes mat ériaux ;

– technique des « vernis craquelants » par observation desdéformations du rev êtement d ’un os au cours de l ’application decharges ;

– jauges de contraintes ;

– photo élasticit é : technique qui utilise les modi cations de ladiffraction de la lumi ère dans certains plastiques en fonction descontraintes qu ’on leur fait subir. Cette technique que les auteurs ontutilisée à de nombreuses reprises, a encore un int érêt didactique ;

– mod èles math ématiques complexes ;

– plus r écemment, analyse par éléments nis qui permet de pr évoirles contraintes dans une structure complexe. Rohlmann et al. [55] ontdémontr é que cette technique peut donner des renseignements surdes donn ées simples telles que la distribution des contraintesrésultant de l ’application d ’une force isol ée. Elle reste en revanchetr ès approximative dans des conditions physiologiques, enparticulier sur le plan quantitatif ;

– techniques de microscopie acoustique tr ès performantes pourdénir les diff érentes constantes élastiques de l ’os dans les diff érentsplans de l ’espace.

¶ R é s u l t a t s

Ces recherches ont abouti à des conclusions à peu pr ès identiquesque nous pouvons r ésumer comme suit.

Matériau composite

L’os est un maté riau composite comportant deux phases, la matricequi est essentiellement collag ène et l’os min éral.

Charge(kg/mm 2)

Limite defatigue

Nombre de cycles à la rupture

Figure 7 Courbe deWoehler.


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Le collagène n ’a aucune r ésistance en compression mais a unegrande r ésistance à la traction. Pour Zioupos et Currey, [68] ladiminution des propri étés mécaniques de l ’os avec l’âge est due àdes modi cations du collag ène.

La partie min érale est plus r ésistante en compression qu ’en traction.L’os tire sa r ésistance en traction de son composant collag ène et sarésistance en compression de son composant min éral. L’arrangementdes cristaux d ’apatite en petites unit és prot ège l’os de la propagationdes cracks.La raideur de l ’os augmente avec son degr é de min éralisation. Aul de l’évolution elle s ’est adapt ée aux contraintes. Destin és àpropager les sons, les osselets de l ’oreille moyenne sont tr èsmin éralisés.La forme et la structure tubulaire de l ’os ne sont pas un caprice dela nature. Son architecture en anneau est parfaitement adapt ée à larésistance aux contraintes. Il suffit pour s ’en convaincre de prendreune feuille de papier. Il faut tr ès peu d ’effort pour la plier. Si on laroule en forme de tube, en revanche, il devient plus difficile de lacourber. La forme cylindrique est celle qui donne la plus granderésistance pour une quantit é donn ée de mati ère.

Résultat des testsLes caract éristiques m écaniques de l ’os révélées par les tests, varienten fonction de nombreux param èt res te ls que le mode deconservation, l ’humidit é, l’orientation du pr élèvement … Ladessiccation augmente la raideur (rigidit é) de l’os. L’os mort est plusrésistant que l ’os vivant [58] mais il est plus cassant.– Résistance en tractionL’o s e s t é lastique e t s u it l a l o i d e H oo ke . I l s ’allongeproportionnellement à la contrainte en traction qu ’il subit. D ès 1847,Wertheim évaluait le module d’é lasticité (module de Young) de l’os fraisentre 1 819 et 2 638 kgf/mm 2 . En 1876, Rauber [51] l’estimait entre1 982 et 2 099 kgf/mm 2 . Jusqu ’à une époque tr ès récente, on aconsid éré que le module d ’élasticité de l’os cortical était d ’environ2 000 kgf/mm 2 (20 000 MPa) et celui de l’os spongieux de650 kgf/mm 2 (6 500 MPa). Nous verrons plus loin que les chosessont beaucoup plus complexes et que le module de Young variefortement d ’un point de la corticale à l’autre.En 1967, Boneld et Li [10] ont d écouvert que l ’os de b œuf avait unmodule d ’élasticité extrêmement bas, de 3 MPa soit 0,3 kgf/mm 2 .Ce niveau es t d épass é en permanence dans les act iv i t ésquotidiennes. Au-del à de cette limite, l ’os a un comportementanélastique et sa d éformation met une dizaine de minutes pourdispara î tre.En 1978, Boneld a repris ces exp ériences avec O ’Connor. [9] Ils ontretrouv é un module d ’élasticit é très bas de 8 à 12 MPa (0,8 à1,2 kgf/mm 2 ) (Fig. 8) :

– pour des contraintes tr ès faibles en dessous de la limite élastique,l’os a un comportement élastique lin éaire classique (courbe A) ;– quand la limite élastique vient d ’être d épass ée, les courbes decharge et de d écharge co ï ncident seulement aux nivaux de contrainte

maximum et minimum. La courbe (B) a un aspect de boucle ferm éeen hyst érésis. Cet aspect avait d é jà été signalé par l’un des auteursen 1976 ; [67]

– pour des contraintes élevées, les courbes de charge et de d échargene co ï ncident pas sous forme d ’une absence de contrainte lors de ladécharge. Elles laissent persister une d éformation r ésiduelle et unaspect de boucle ouverte en hyst érésis (courbe C). La d éformationnon élastique a disparu lentement apr ès la décharge, à conditiond’attendre assez longtemps (jusqu ’à 40 minutes).Les os de l ’enfant ont un module plus bas que ceux de l ’adulte et ilsabsorbent plus d ’énergie avant de se fracturer. [16] Il existe chezl’enfant une large zone de d éformation non élastique.

Le module d ’élasticité varie avec le degr é de min éralisation de l ’os.La contrainte de rupture de l’os cortical est très proche de sa limiteélastique. Selon Rauber, [51] cette contrainte de rupture varie entre9,25 et 12,41 kgf/mm 2 .Pour Marique, [33] celle du f émur est de 12,5 kgf/mm 2 . Evans [19]

l’évalue en moyenne entre 6,35 et 10,57 kgf/mm 2 .La contrainte de rupture de l ’os cortical se situe donc classiquementaux environs de 10 kgf/mm 2 . Elle augmente pour l ’os sec.

En 1967, Comtet et al. [15] ont constat é sur des radius frais unerésistance en traction de 20 kgf/mm 2 .À titre de comparaison, celle de l ’acier est d ’environ 100 kgf/mm 2 ;celle du cuivre de 13, du ch êne de 10, du pin de 6 et du b éton de 2.La résistance en traction de l ’os est donc sup érieure à celle du boiset à celle du b éton.La ré sistance en traction (P) d’un os entier est donn ée par la formulesimple : P = SK (S étant la surface de section de l ’os et K la contraintede rupture de l ’os en traction).Il est ainsi simple de calculer la charge à la rupture des os dusquelette, qui est de 1 500 kg pour l ’hum érus et de 2 300 kg pour le

f émur. Mais comme le soulignent Comtet et al., [15]

il serait faux decroire que cela repr ésente la v éritable r ésistance en traction de cesos. En effet, la ligne id éale passant par le centre de gravit é dessections n ’est pas rectiligne et l ’os a à supporter non seulement descontraintes de traction mais également des contraintes de exion.On obtient donc la rupture pour une charge bien inf érieure à lavaleur calcul ée ci-dessus. Burstein et al. [12] ont mesur é unedéformation osseuse de 4,6 % ( ± 1,2 %) au moment de la rupture,sur une s érie de f émurs.Des études microm écaniques r éalisées par Ascenzi et Bonucci [2] surdes ost éons isol és de l’os cortical ont r évélé que la courbe contrainte-déformation dans les ost éons est tr ès fortement d épendante de

l’orientation des paquets de bres de collag ène.– Résistance en compressionLorsque deux forces s ’appliquent sur un corps en directionsoppos ées, dirig ées l’une en direction de l ’autre, le corps est encompression. Il devient plus court et plus large et nit par s ’écraser.La formule applicable est la m ême que pour la r ésistance en tractionsoit P = SK, mais cette fois K est la charge de rupture encompression, diff érente de celle en traction. La contrainte derésistance en compression de l ’os cortical varie suivant les auteursde 12,56 à 25 kgf/mm 2 soit deux fois plus que le bois. Nousretiendrons une moyenne de 15 kgf/mm 2 . La charge de rupture encompression de l ’hum érus est ainsi de 2 200 kg, celle du f émur de

A B C

Dé formations

C o n t r a i n t e s

Figure 8 Les trois types de cycles de chargement-dé chargement de l’os (d’aprèsBon eld et O’Connor). A : phase é lastique ; B : boucle en hysté ré sis fermé e ; C : boucleen hysté ré sis initialement ouverte et qui se ferme avec le temps à contrainte O.


5



3 450 kg avec les mêmes r éserves que celles que nous avonsénoncées pour la charge à la rupture en traction. L ’os résiste doncmieux à la compression qu ’à la traction.L’os spongieux a une r ésistance en compression beaucoup plusfaible. Elle est de 1 kgf/mm 2 aux condyles f émoraux et de 2 à3 kgf/mm 2 dans certaines zones de l ’extrémité sup érieure du f émur.Dans l ’ensemble, l ’os spongieux est dix fois moins r ésistant encompression que l ’os cortical [61] . C’est donc en son sein que seproduisent les fractures en compression. Cette r ésistance diminueencore avec l ’âge. Le rôle principal de l ’os spongieux semble êtrel’amortissement des contraintes. L ’arthrose pourrait être due à unediminution de son élasticité.En 1972, Burstein et al [12] ont montr é que l’os a un comportementplastique en traction mais pas en compression. Pour ces auteurs, lapr ésence d ’une zone de d éformation plastique en tension estcomparable à celle que l ’on observe avec les polym ères etcorrespond à la création de vides. Pour d ’autres, elle est due à laformation de microfractures dans la corticale. En compression lacourbe reste lin éaire, c’est-à-dire que l ’os se rompt brutalement sansdéformation plastique (Fig. 9).– Résistance au cisaillementLe cisaillement survient lorsqu ’un groupe de forces tend à faireglisser une partie du corps sur lequel elles sont appliqu ées, sur lapartie voisine.La résistance au cisaillement varie suivant les auteurs de 7 à11 kgf/mm 2 pour l ’os cortical et de 0,10 à 0,5 kgf/mm 2 pour l ’osspongieux. En gros, l ’os cortical est 20 fois plus r ésistant encisaillement que l ’os spongieux.– Résistance en exionLa résistance en exion de l ’os cortical varie de 10 à 20 kgf/mm 2 .Elle augmente avec le moment d ’inertie de l ’os. Celui-ci augmenteavec la distance qui s épare la masse osseuse de l ’axe neutre. Celaexplique l ’élargissement du canal m édullaire du sujet âgé qui donneune r ésistance équivalente avec moins de masse osseuse. Celaexplique également les constatations de Blaimont [ 8] lorsqu ’il amesur é la microduret é des diaphyses. Celle-ci diminue de l ’endostevers le p érioste. La partie la plus dure est logiquement la pluséloignée de l’axe neutre (Fig. 10).L’os n ’est donc pas homog ène mais son h étérogénéité est organis ée.

– Résistance en torsionPour Rauber, [51] la résistance à la torsion de l ’os varie entre 4 et9,3 kgf/mm 2 , avec une moyenne de 7 kgf/mm 2 sur éprouvettes.Comtet [15] ne trouve que 5 à 6 kgf/mm 2 sur l ’os entier. Il attribuecette diff érence aux microd éfauts de surface qui existent sur l ’os. Entorsion, la rupture se produit suivant une h élice, conform ément à lathéorie qui enseigne qu ’une sollicitation en torsion est équivalente àune traction et à une compression s ’exerçant à 45°. La formule descontraintes en torsion que nous avons vue à propos des mat ériauxnous apprend que plus l ’os est long, moins il est r ésistant en torsion.Cela explique que les fractures spiro ï des surviennent sur les oslongs. Plus l ’os a un gros diam ètre, moins il est vuln érable. Si le

bras de levier est long, comme par exemple un hum érus tordu parl’interm édiaire de l ’avant-bras, la force n écessaire pour rompre l ’osest moindre (fractures au cours de concours de « bras de fer »). Lesite des fractures en torsion ne co ï ncide pas avec le si èged’application de la torsion.

Anisotropie

Mat ériau composite élastique, l ’os a de nombreuses autrescaract éristiques. En 1958, Evans [19] a montr é qu’il est anisotrope, c’est-à-dire qu ’il n’a pas les m êmes propri étés dans tous les plans. Lesrésistances en traction que nous avons indiqu ées sont celles quis’appliquent suivant l ’axe longitudinal de l ’os. Transversalement ouobliquement, cette r ésistance est plus faible (Fig. 11).La résistance et la raideur de l ’os sont maximales dans les directionscorrespondant aux contraintes les plus élevées. En 1975, Reilly etBurstein [52] ont pr ésent é la premi ère étude syst ématique del’anisotropie de l ’os. Ils ont montr é que le module d ’élasticit élongitudinal était en moyenne 50 % plus élev é que le moduletransversal. Konirsch [26] a montr é, gr âce aux extensom ètresélectriques à grande ampli cation, que le module d ’élasticité varienotablement suivant la face de l ’os et suivant qu ’on l’étudie entraction longitudinale, en compression ou en exion. Il diminue del’endoste au p érioste, ce qui tend à égaliser les contraintesintraosseuses (Fig. 12) :

– à proximit é de l’endoste : 2 600 kgf/mm 2 (26 000 MPa) ;

– sous le p érioste : 1 400 kgf/mm 2 (14 000 MPa).

Déformation


A Déformation


B

Figure 9 Courbes contraintes-dé formation du f é mur(d’après Burstein et al.).

A. Traction.B. Compression. Noter l’absence de phase plastique encompression.

a

bc d

ef g h

i

jC. T.N

∆ l = 1,25 ·10 -3 mm / mml

∆ l = 0,7 ·10 -3 mm / mml

Figure 10 Variations de la microdureté (d’après Blaimont). Dé formations pourP = 100 kg. La dureté diminue presque liné airement de l’endoste au pé rioste.


6



L’os étant plus r ésistant en compression qu ’en traction, c ’est depr éf érence sa face soumise à des contraintes en traction qu ’il fautrenforcer lors d ’une ost éosynth èse. Fort heureusement, les m étauxutilis és comme implants pour l ’ostéosynth èse poss èdent une bonnerésistance en traction.

ViscoélasticitéL’os vivant est visco élastique. Ses propri étés mécaniques varientavec la vitesse d ’application de la charge. Il perd en partie cettepropri été à l’état sec. Gr âce à cette caract éristique, il r ésiste mieuxaux efforts rapides qu ’aux efforts lents. La visco élasticité de l’os luipermet de mieux s ’adapter aux contraintes : [58]

– s i o n a pp li qu e u n e c h a rg e s u r u n o s , i l s e d éformeinstantan ément ; si la charge est maintenue, l ’os continue à sedéformer pendant 55 jours ;– après 55 jours, la déformation atteint 153 % de celle qui avait étéobtenue apr ès les 2 premi ères minutes.Le serrage d ’une vis illustre bien cette visco élasticité. Apr ès l’avoirserrée à fond, il est toujours possible de donner un quart ou undemi-tour apr ès quelques minutes.

Autres propri étésTissu vivant, l ’os a en outre deux propri étés consid érables qui ledistinguent des autres mat ériaux :

– en réponse à des demandes fonctionnelles, il peut changer sespropri étés mécaniques locales et les adapter aux contraintes. Il existeune « fenêtre de contraintes admissibles » ; si l’os est soumis à unexcès de contrainte, il va s ’adapter en augmentant de volume et en

modi ant sa texture. Si les contraintes deviennent excessives, il senécrose ou se fracture (fractures de fatigue). Si au contraire il estsoumis à un niveau de contrainte insuffisant, il va s ’amincir etdevenir plus fragile. C ’est le ph énom ène du stress-shielding que l’onobserve au contact de proth èses massives tr ès rigides parfaitementet directement xées à l’os. Ce ph énom ène es t égalementpréoccupant en mission spatiale de longue dur ée ;

– l’os a la possibilit é remarquable de se r éparer lui-m ême.Ces propri étés sont le résultat de l ’action combin ée de processus biologiques et m écaniques complexes.Nous allons voir plus loin à propos du f émur et du radius que l ’osest beaucoup plus r ésistant que le calcul math ématique et les essaisen traction sur éprouvettes isol ées ne le laissent supposer.Les mesures de Burstein ont montr é qu ’avec l’âge se produit unediminution de la d éformation maximum avant rupture, atteignant5 % tous les 10 ans au niveau du f émur et 7 % tous les 10 ans pourle tibia.

C O N T R A I N T E S S U P P O RT ÉE S PA R L E S O S

Les connaissances dans ce domaine sont r écentes et demeurentlimit ées. Dans l ’activité quotidienne, un ensemble complexe deforces est appliqu é sur les os. L’application de ces forces provoquedes d éformations microscopiques. Ces d éformations d épendent de

l’importance des contraintes, de la g éométrie de l ’os, c’est-à-dire desa longueur, de ses courbes, de son diam ètre et de ses propri étésmécaniques.Chez l ’homme, le centre de gravit é du corps est situ é devant ladeuxi ème vert è bre sacr ée. La position lat éralisée des membresinf érieurs par rapport au centre de gravit é produit des forcesadditionnelles asym étriques qui s ’ajoutent au poids du corps. Lesquelette des membres inf érieurs est ainsi soumis à une compressionasym étrique. Il en r ésulte des contraintes en exion qui sont entension sur le c ôté convexe et en compression du c ôté concave.La forme des os est adapt ée pour diminuer les contraintes en exion.Les os sont courbes, de telle sorte qu ’ils sont dans l ’axe de la

résultante des forces qui agissent sur eux. Cette courbure augmenteles contraintes de compression qui sont les mieux tol érées etdiminue en revanche les contraintes de exion.Le travail de Lanyon et Baggott [28] avec des jauges de contraintessur des radius de mouton a montr é que la mise en charge axiale decet os courbe produit des contraintes longitudinales mais aussi deexion, en raison de la position excentrique de la charge. Il existe dece fait des contraintes de compression du c ôté concave et descontraintes de tension du c ôté convexe (Fig. 13). Les contraintes decompression sont deux fois plus importantes que les contraintes detension. Le calcul th éorique bas é sur la mise en charge d ’une poutrecharg ée excentriquement pr édisait des chiffres comparables. La

pathologie des affections statiques ne peut être bien comprise qu ’enprenant en compte la distribution des contraintes dans l ’os. En 1968,Blaimont [7, 8] commen çait ainsi un de ses articles : « La connaissancedes contraintes osseuses et leur distribution est un élément presqueentièrement ignor é de la physiologie du syst ème de soutien ». Cetteconnaissance est pourtant d ’un grand int érêt pour l ’ostéosynth èse,car elle permet une adaptation du mat ériel aux conditionsmécaniques qui lui sont impos ées.

¶ F é m u r

Il est incontestablement l ’os qui a été le mieux étudi é. On sait depuisPauwells que la charge qui s ’exerce sur la t ête f émorale est

Déformation


L

3 0 ˚

6 0 ˚

T

Figure 11 Anisotropie de l’os. Tests en traction dans quatre directions sur de l’oscortical f é moral : traction longitudinale (L), à 30° de l’axe de l’os, à 60°, et tractiontransversale (T) (d’après Frankel et Burstein).

B

Dé formations

Contraintes

A

A

N

A

N

A

NA

N

Figure 12 Le module d’é lasticité de la corticale diminue de l’endoste vers le pé -rioste. Les zones osseuses les plus dé formé es sont aussi les plus dé formables, et lescontraintes intraosseuses tendent vers l’é galisation. L’é lasticité osseuse s’adapte auxsollicitations (d’après Blaimont).

A. E constant.B. E variable.


7



consid érable. En position unipodale, le poids du corps excentr éexerce sur la t ête f émorale une charge de pr ès de 300 kg, susceptibled’augmenter en fonction des efforts et des mouvements (Fig. 14). Enmontant des escaliers, cette charge peut atteindre 5 fois le poids ducorps et en marchant rapidement jusqu ’à 7,6 fois car dans ce cas les

forces d ’accélération s ’ajoutent à la charge statique. Bergmann etal., [5] reprenant l ’expérience de Rydell, [57] ont publi é en 1990 leursrésultats apr ès mise en place in vivo de proth èses de hancheéquip ées de jauges de contraintes chez deux patients. Les contraintesmesur ées étaient pour un sujet de 370 % du poids du corps enmontant les escaliers, de 416 % en les descendant et de 369 % enmarchant à plat. Pour l ’autre sujet, atteint d ’une maladieneurologique entra î nant des troubles de la marche, ces contraintesétaient respectivement de 552 %, 523 % et 413 %. Les contraintes surle f émur en dessous du petit trochanter sont donc tr ès élevées.Blaimont et al. [ 6, 7 ] apr ès Comtet [15] ont attir é l’attention sur unaspect « myst érieux et paradoxal » de la résistance osseuse : le calcul

des contraintes aboutit à des valeurs qui sont en contradiction avecles résultats de la mesure exp érimentale de la r ésistance osseuse.Blaimont a ainsi test é un f émur qui a r ésisté à une charge c éphaliquede 900 kg, ce qui correspond à une contrainte en tension de la

corticale externe sous le grand trochanter de 22,5 kgf/mm2

. Uneéprouvette pr élev ée au m ême niveau et test ée en tension sefracturait pour une charge de 8,5 kgf/mm 2 . Le f émur aurait d û sefracturer à ce niveau pour une charge c éphalique de 340 kg.Comtet et al. ont observ é la même anomalie : une diaphyse radialesoumise exp érimentalement à un effort de traction pr ésente unefracture lorsque la charge atteint une valeur qui suppose unecontrainte moyenne de 23,5 kgf/mm 2 . Or au niveau o ù se produit larupture, la r ésistance en traction sur éprouvettes isol ées n’excèdepas 14 kgf/mm 2 . L’os est donc beaucoup plus r ésistant que le calculmath ématique et les essais en traction sur éprouvettes isol ées ne lelaissent supposer. « Ce paradoxe peut s ’expliquer soit parce que les

bases du calcul math ématique des contraintes sont erron ées dansleur application à l’os, soit parce que les épreuves de r ésistance à latraction sont entach ées d’erreur ». Blaimont a montr é que les deuxexplications s ’associaient pour expliquer le paradoxe :

– la duret é de l’os diminue presque lin éairement de l ’endoste aupérioste. Le module d ’élasticit é est nettement plus élev é auvoisinage de l ’endoste que dans la zone p ériostée. La diff érence estimportante ; Comtet trouvait sur le radius un module de2 600 kgf/mm 2 à proximit é de l’endoste, et de 1 413 kgf/mm 2 sousle périoste. Si la totalit é de la section osseuse pr ésentait une égaleduret é, les contraintes évolueraient suivant le mod èle utilis é pour lecalcul math ématique des contraintes. Dans la exion f émorale, le

périoste est plus d éformé que l’endoste. Les zones d éformées sontdonc les plus d éformables. Il s ’ensuit une tendance à l’égalisationdes contraintes (Fig. 12) ;

– Comtet a montr é que les épreuves de traction sur éprouvettespeuvent être entach ées d’erreurs syst ématiques par d éfaut. Ellesdonnent de la r ésistance osseuse une id ée trop pessimiste.Les causes d ’erreur peuvent neutraliser ou cumuler leurs effets etconduire à des erreurs sur la contrainte de rupture estim ées à 60 %.La répartition des contraintes sur le f émur est bien connue depuisles travaux de Blaimont [7] en 1968. Lorsque cet os est mis en charge,la partie externe de l ’os subit des contraintes de tension (T) alors

que sa partie interne subit des contraintes de compression (C). « Lesdeux zones T et C s ’enroulent l ’une autour de l ’autre, en spirale, duhaut en bas de la diaphyse » (Fig. 15). Le f émur se échit donc surtoute sa hauteur. « Les plus grandes d éformations s ’observent dansle haut du f émur puis vont en diminuant jusqu ’à 20 cm. À partir dece niveau, les d éformations de compression pr ésentent une nouvelleélévation tandis que les d éformations de traction continuent de baisser » (Fig. 16). Les contraintes support ées par le f émur sontimportantes, m ême lorsque le sujet en d écubitus soul ève simplementle membre du plan du lit. Diehl [17] les a évalu ées compte tenu dupoids du membre et du bras de levier qui correspond à la distancedu centre de gravit é au foyer. Le moment de exion, à la hauteur dela région sous-trochant érienne est de 440 cm/kg . Dans les m êmesconditions, ce chiffre chute à 10 cm/kg au niveau de la m étaphysedistale du tibia (Fig. 17).

¶ T i b i a

Les études de Lanyon et al. [27] et celles de Carter [13] ont montr é lacomplexit é des contraintes support ées par la face ant éroexterne dutibia au cours de la marche et de la course. Pendant la marche(Fig. 18), les contraintes sont en compression pendant l ’appui dutalon, en tension pendant la phase d ’appui plantaire, puis à nouveauen compression au moment de l ’appui en pulsion sur l ’avant-piedet le gros orteil. Des contraintes en cisaillement apparaissent

∆Y A A

Compression

Tension

X

YF I 2

I 1

Figure 13 Mise en charge axiale longitudinale d’un os courbe. Elle entraî ne des

contraintes de compression longitudinales auxquelles s’ajoutent des contraintes de exion, en raison de l’excentricité de l’application de la charge. Le ré sultat est la miseen tension du côté convexe et en compression du côté concave (d’après Lanyon et Bag- gott [28] ).

100 100

10

Z

h

D 110

D 10

Figure 14 Le f é mur peut ê tre comparé à une potence, dont la charge excentré e en- gendre des contraintes de traction (Z) et des contraintes de compression (D). Si unecharge identique é tait appliqué e dans le grand axe d’une poutre verticale de mê me di-mension, elle y produirait des contraintes de compression axiale de moindre intensité (d’après Pauwels in Blaimont [7] ).


8



pendant la derni ère partie du pas, indiquant une rotation externedu tibia à ce moment. Pendant la course (Fig. 19), il existe descontraintes mod érées en compression au moment de l ’appui du grosorteil suivies de contraintes tr ès élevées en tension. Les contraintesen cisaillement sont faibles.

La face post érieure du tibia est en tension lorsque le pied est pos é àplat.Grâce à sa forme tubulaire, le tibia r ésiste bien aux contraintes enexion.Compte tenu de son plus large diam ètre à sa partie sup érieure et dece fait de son plus grand moment d ’inertie à ce niveau, il r ésistemieux aux contraintes en torsion que la partie distale, dont le petitdiam ètre s ’accompagne d ’un moment d ’inertie plus faible. Les

N

N

T

P

C

M

Figure 15 Contraintes supporté es par le f é mur (d’après Blaimont). Sous l’effet de lacharge P quis’exerce surlatê te f é morale,le f é -murest soumis àdescontraintesde tractionT et à des contraintes de compression C. « LesdeuxzonesTetCs’enroulentl’uneautourdel’autre, en spirale, du haut en bas de ladiaphyse ». Le f é mur se é chit sur toute sahauteur.

0

5

10

15

20

25

T C

Figure 16 Variations diaphysaires des maxima de dé formation. Les plus grandesdé formationss’observentdanslehautdu f é mur. Àchaque niveau,la valeur maximadela compression (C) excède celle de la traction (T) (d’après Blaimont).

10 kg150 kg

350 kg

440 kg

Figure 17 Moments de exion (en cm/kg) produits par la simple é lé vation dumembre inf é rieur au-dessus du plan du lit (d’après Diehl).

4

3

2

1

0

1

2

3

4

TensionCompressionCisaillement (rotation externe)

C o n

t r a i n t e s

( M N / m 2 )

HS FFHO

HOTO

S

Figure 18 Contraintes sur la corticale anté roexterne du tibia pendant la marche(1,4 m/s).HS : appui du talon ; FF :appuiplantaire ;HO : soulèvement dutalon ;TO :soulèvement du gros orteil ; S : dé placement du pied soulevé .

12

10

8

6

4

2

0

2

4

o o o o o o oo o o o o o o o o o o

oooooo

Tension

CompressionCisaillement (rotation externe)Cisaillement (rotation interne)

C o n

t r a i n t e s

( M N / m 2 )

TS TS-TO

Figure 19 Contraintessur la corticale anté roex-terne du tibia pendant lacourse (2,2 m/s). TS : appuidu gros orteil ; TO : soulève-ment du gros orteil.


9



contraintes en cisaillement à la partie distale du tibia sont le doublede celles qui s ’exercent sur la partie proximale. Cela explique laraison pour laquelle les fractures en rotation du tibia se produisentessentiellement à la partie distale de l ’os.Comme le souligne Poitout, [47] le tibia peut être consid éré à la coupecomme un « prisme triangulaire ». Si un « prisme triangulaire »métallique mis en compression perd de sa hauteur et s ’élargit, letibia au contraire voit ses faces se rapprocher sous l ’inuence d ’unecharge croissante . L ’in uence des muscles sur ses facescontrebalance cette d éformation.

¶ F ibu la

Il a une courbure invers ée par rapport à celle de la face post érieuredu tibia et joue un r ôle fondamental dans la transmission descontraintes en rotation.La membrane interosseuse à une action essentiellement m écanique.

¶

M embre sup é r i eu r C’est aux faces post érieures de l ’hum érus et des deux os de l ’avant- bras que si ègent g énéralement les contraintes de traction.

¶ R é sistance globale des os

Elle a été étudi ée par Yamada. [66] Le Tableau 1 donne un r ésum é deces résultats.

¶ Poutr es composi t es os -muscle

Comme l ’ont soulign é Rabischong et Avril en 1965, [49] os et muscless’associent pour augmenter la r ésistance d ’un segment d étermin é àdes efforts parfois consid érables. Ils forment ensemble une poutrecomposite beaucoup plus r ésistante que les os isol és. Les poutrescomposites sont l ’association de deux mat ériaux diff érents unissolidairement et qui partagent les contraintes en fonction de leurmodule d ’élasticit é et de leur moment d ’inertie. Reprenonsl’exemple de Rabischong, c ’est-à-dire les contraintes qui s ’exercentsur les deux os de l ’avant-bras lorsqu ’une charge de 20 kg est plac éedans la main. Si l ’on consid ère que le coude est maintenu pli é à 90°par les échisseurs du coude comme les c â bles d’une grue, lescontraintes de traction- compression dans les deux os de l ’avant- bras sont de 2,5 t , ce qui est tr ès sup érieur à la résistance dusquelette. Les muscles n ’agissent donc pas sur les leviers

squelettiques à la façon des c â bles d’une grue, mais forment aveceux une poutre composite. Le muscle en contraction modi e sesdimensions et son module de Young. Il vient se plaquer étroitementsur le squelette. La ligne neutre se d éplace. Le plan osseux passe enarri ère d ’elle et travaille en compression. Le calcul indique alors unecontrainte qui n ’est plus que de 1,30 kgf/mm 2 , ce que l’os peutparfaitement supporter.Les muscles se comportent également comme des haubanscomparables à ceux qui tiennent un m ât de bateau. En agissant ainsi,ils augmentent les forces de compression dans l ’os, ce qui estfavorable, puisque nous avons vu que c ’est en compression que l ’osest le plus r ésistant.

B i o m é c a n i q u e d e s f r a c t u r e s

Nous ne pouvons pas entrer dans le d étail de cette question qui justierait un article isol é. Nous nous limitons donc à quelquesnotions g énérales.

C O N T R A C T I O N M U S C U LA I R EElle joue un r ôle très important dans la pr évention des fractures. [59]

On peut illustrer ce r ôle par l ’exemple de la chute en skis versl’avant. Le tibia du skieur vient s ’appuyer en avant sur le bord de lachaussure avec un effet de exion. La corticale post érieure du tibiaest soumise à des contraintes de traction tr ès élevées qui ont defortes chances d ’entra î ner une fracture. Heureusement, lacontraction r éexe du triceps va provoquer des contraintes decompression post érieures qui vont neutraliser les contraintes detraction, prot éger le tibia et éviter la fracture. La contractionmusculaire automatique au cours d ’une chute prot ège le squelette.Chez le vieillard en revanche, la rapidit é de la réaction musculairen’est plus suffisante. Les troubles de la vue, de l ’ou ï e et de l’équilibresont des facteurs aggravants.

F R A C T U R E S D E FAT I G U E

Une fracture peut survenir si la contrainte support ée par l ’os estsup érieure à la résistance maximum de l ’os, mais elle peutégalement survenir à la suite de l ’application r épétée de contraintes beaucoup plus basses. Ce sont les fractures de fatigue. Elles fontl’objet d ’un article particulier. [32] Elles surviennent soit apr èsapplication peu fr équente de contraintes élev ées, soit apr èsapplication tr ès fréquente de contraintes relativement faibles. Lafr équence des sollicitations joue également un r ôle , car leremodelage osseux peut aller plus vite que le processus de fracturespontan ée et éviter celle-ci. La fatigue musculaire intervient dans lasurvenue des fractures de fatigue en supprimant la protection dusquelette.

F R A C T U R E S E T N I V E A U D ’ÉN E R G I E

On peut classer les fractures en trois cat égories, bas ées sur laquantit é d’énergie lib érée à leur niveau :

– fractures à basse énergie : ce sont les fractures survenues à la suited’une chute banale ;

– fractures à haute énergie : elles se produisent à l’occasion d ’unaccident de la route et sont comminutives avec l ésions des partiesmolles ;

– fractures à très haute énergie : caus ées par un projectile de guerreà grande vitesse, elles correspondent à de véritables explosionsosseuses avec pertes de substance des parties molles.

F R A C T U R E S S U R D ÉF E C T U O S I T É O S S E U S E

L a c réa t ion d ’une per te de substance osseuse f ragi l iseconsid érablement l ’os.Burstein [11] a montr é que le simple fait de forer un trou et d ’insérerune vis dans le f émur de lapin diminue de 70 % sa capacit é

Tableau 1. –Résista ncegl obal ed esos enti ers d’apr ès Yamada [66] ra ppo rt épar Sedel [58]

Os Charge de ruptureen exion (kg)

Résistance à la ruptureen exion (kg/mm 2 ) Déexion (mm) Charge de rupture

en torsion (kg/cm)Résistance à la ruptureen torsion (kg/m 2 )

Angle avant rupture(degr és)

Fémur 250 19,3 11,1 1400 4,62 1,5Tibia 262 20,1 9 1000 4,43 3,4Péroné 40 20,1 14,3 116 4,01 35,7Hum érus 136 19,3 8,8 606 4,95 5,9Radius 53 21,3 9,3 208 4,55 15,4Cubitus 64 21,3 9,4 190 4,48 15,2


10



d’absorber l ’énergie. Huit semaines plus tard l ’effet a disparu, maisl’ablation de la vis diminue à nouveau de 50 % cette possibilit é del’os.La création d ’une fente osseuse sur une diaphyse cr ée une section

ouverte. Dans ce cas, la r ésistance à la fracture est diminu ée de 70 %.Le prélèvement d ’un greffon cortical fragilise donc beaucoup l ’os.

F R A C T U R E S E T C O N T R A I N T E S

La survenue d ’une fracture est en fait une question de distributionde contraintes et d ’énergie m écanique. L’énergie n écessaire pourfracturer un tibia humain normal est seulement le 1/10 000 e del’énergie cin étique d ’un skieur de 80 kg se d éplaçant à 45 km/h. [50]

Le désastre survient seulement quand l ’énergie cin étique est brutalement concentr ée et convertie en travail pour d éformer le tibia.Les fractures sont le r ésultat de contraintes excessives en tension.Celles-ci ne sont en g énéral pas caus ées par des forces de traction

mais plut ôt par des forces de exion ou de torsion. Les fractures en« bois vert » sont pour Radin [50] la combinaison de microfracturesde la corticale d ’un os peu calci é à bas module d ’élasticité.

¶ F r ac tu r es en t r ac t ion

Elles surviennent g énéralement dans l ’os spongieux. La fracture dela base du cinqui ème m étatarsien par traction du court p éronierlatéral et celle du calcan éum par traction du tendon d ’Achille sontde bons exemples.

¶ F ractur es en compr ess ion

Le meilleur exemple est r éalisé par les fractures-tassements desvert è bres.

¶ F ractur es en cisai l lement

On les rencontre habituellement dans l ’os spongieux en particulieraux condyles f émoraux ou aux plateaux tibiaux.

¶ F ractur es en tors ion

Les contraintes de tension les plus élevées sont à 45° des contraintesde cisaillement. Le trait de fracture suit un plan en spirale poursuivre cet angle. Il n ’y a pas de meilleur exemple que la fracture

spiro ï de du skieur.¶ F ractur es en exion

Les fractures diaphysaires transversales ou en « aile de papillon »relèvent de ce m écanisme. La fracture commence sur la surfaceconvexe, sur les bres les plus ext érieures qui supportent le plus decontraintes en tension. S ’il existe sur cette face une entaille ou unerainure, la fracture commence à ce niveau.

B i o m é can i qu e d e l a con so l i da t i on

Depuis les temps les plus recul és, l’homme utilise les facteursmécaniques de la consolidation en immobilisant les membresfractur és. L’ostéosynth èse apparue au d é but du XX e siècle perturbeles facteurs biologiques en évacuant l ’hématome fracturaire etmodi e la mécanique de la consolidation. La connaissance desconditions m écaniques id éales, avec ou sans ost éosynth èse, est doncd’une importance fondamentale. La stabilit é et la raideur id éale desostéosynth èses sont discut ées depuis longtemps. Le symposium dela Société française de chirurgie orthop édique et traumatologique(Sofcot) en 1982 fut consacr é à cette question. [23] Son titre était : « Laxation d ’une fracture doit-elle être rigide ou élastique ? » (I. Kempf, J.-P. Meyrueis, S. Perren). Il aurait été pr éf érable de l ’intituler : « La

xation d ’une fracture doit-elle être stable ou instable ? ». À cettequestion fondamentale, il convient maintenant d ’en ajouter unenouvelle : « Cette xation doit-elle être statique ou dynamique ? ».Faire le point sur les facteurs m écaniques de la consolidation osseuseexige donc de commencer par un rappel des d énitions de base.

D ÉF I N I T I O N S

¶ F ixat ion s table et xa t ion in s t ab le

Lors du symposium de la Sofcot en 1982 [23] il a été convenu avec lesrepr ésentants de l ’AO et du Canada qu ’un foyer de fracture estconsid éré comme stable si aucun mouvement interfragmentaire n ’estdécelable à l’œil nu sous l ’inuence des contraintes (forces par unit éde surface ou stress des Anglo-Saxons) qu ’il subit.Inversement, un foyer est instable s ’il persiste des mouvementsvisibles entre les extr émit és fracturaires sous l ’in uence des

contraintes.La question fondamentale du traitement des fractures est de savoirsi l’immobilisation orthop édique ou chirurgicale doit stabiliser lefoyer ou laisser persister une instabilit é. [44]

Pour savoir si on a r éalisé une ost éosynth èse stable ou instable, ilest essentiel de mobiliser vigoureusement le membre avant derefermer la voie d ’abord. Il est ainsi encore parfois possible demodi er le montage pour atteindre le degr é de stabilit é recherch é.Une ost éosynth èse stable à la mobilisation perop ératoire par lechirurgien et à la mobilisation postop ératoire par le malade peutdevenir instable à la reprise de l ’appui. On dit qu ’il existaitseulement une s tabil i t é de mobil isa t ion. Inversement , s il’ostéosynth èse reste stable non seulement à la mobilisation maisaussi à la reprise totale de l ’appui, on parle de stabilit é de charge.

¶ Ra id eu r

Les implants et les montages associant plusieurs implants utilis éspour xer un foyer de fracture se caract érisent par leur r ésistance àla déformation d ésign ée par les Anglo-Saxons sous le terme destiffness. La meilleure traduction en fran çais est probablement« raideur » [35] . Cette raideur varie de la rigidit é à son contraire, laexibilité. Par d énition, un corps est rigide s ’i l se déformedifficilement. Inversement, il est exible s’il se déforme facilement.La raideur d ’un implant d épend de ses dimensions et du moduled’élasticité du mat ériau dans lequel il est fabriqu é.Nous avons pris la mauvaise habitude de parler de rigidit é à la placede raideur.

¶ É l a s t i c i t é et p las t ici t é

L’élasticit é est la propri été d’un corps, donc d ’un implant, deretrouver sa forme et ses dimensions initiales apr ès sa déformation.La plasticit é est l’inverse, c ’est-à-dire la propri été d’un corps deconserver une partie ou la totalit é de la déformation.Lorsque le chirurgien d éforme un implant, par exemple une plaqued’ostéosynth èse pour l ’adapter à la forme de l ’os, cet implant va

passer par trois phases successives, comme nous l ’avons vu dans lepremier chapitre :

– dans un premier temps, pour des contraintes mod érées, l’implanta un comportement élastique, c ’est-à-dire que lorsque la contraintecesse il reprend sa forme et ses dimensions initiales ;

– dans un deuxi ème temps, pour des contraintes plus importantes,son comportement devient plastique, c ’est-à-dire qu ’il reste d éformé.La limite entre la zone élastique et la zone plastique est la limiteélastique ;

– si les contraintes augmentent encore, l ’implant entre dans la zonede rupture, c ’est-à-dire qu ’il casse.


11



Un implant model é en salle d ’op ération est donc relativementfragilisé. Il est préf érable d ’utiliser des implants pr émoul és ayantsubi en usine un temps de recuisson qui leur a redonn é leurspropri étés m étallurgiques initiales.

¶ F ixa t ion s t a t iqu e et x a t i o n d y n a m i q u e

Il est de bon ton depuis une dizaine d ’ann ées de parler de xationdynamique. Pourtant, la d énition de l ’ostéosynth èse dynamique

reste impr écise. Pour l ’AO, une xation dynamique est celle quiutilise les forces musculaires pour stabiliser le foyer, comme le faitpar exemple un hauban. D ’autres au contraire utilisent ce termepour d ésigner la remise en charge pr écoce des foyers de fracturetransversaux enclou és sans verrouillage ou verrouill és d’un seulcôté. Tous les auteurs utilisent le terme de dynamisation pourdésigner la d érigidi cation des xateurs externes en cours detraitement. La recherche d ’un consensus sur le sens m ême destermes utilis és était devenue indispensable.En l ’absence de d énition internationale pr écise, l’un des auteurs adonc propos é il y a quelques ann ées [35, 41] de convenir que :

– une xation est statique lorsque sa raideur reste constante dudé but à la n du traitement ;

– elle est dynamique lorsqu ’on fait varier sa raideur dans le tempset de ce fait les contraintes qui passent dans le foyer, pour favoriserla formation du cal ou pour le renforcer : d éverrouillage des clous,dynamisation des xateurs externes.

F I X AT I O N S TA B L E O U F I X AT I O N I N S TA B L E ÉL A S T I Q U E

La question fondamentale que doit se poser le chirurgien avant decommencer le traitement d ’une fracture est de savoir s ’il doit r éaliserune xation stable ou une xation instable élastique. Il ne viendraiten effet à l’esprit de personne de d éfendre une xation instableplastique avec laquelle les contraintes entra î neraient unedéformation r ésiduelle permanente dans le foyer de fracture.Dans une r écente conf érence d ’enseignement, [46] P.-E.Ochsner utilisele terme de « stabilité relative » pour d ésigner la xation élastiqueinstable. Nous ne sommes pas favorables à cette appellation, quiremet en question un consensus toujours difficile à obtenir.Pendant les trois premiers quarts du XX e siècle, la majorit é desostéosynth èses recherchaient la stabilit é du foyer de fracture, le plussouvent sans y parvenir. Cette ost éosynth èse stable fut ensuiteremise en cause. Pour discuter du bien-fond é de ces attitudescontradictoires, nous devons revenir un moment sur le r ôle desfacteurs m écaniques dans les m écanismes de la consolidation.

¶ B i o m é canique du cal

Tableau de Mac Kibbin

En 1978, Mac Kibbin [31] a parfaitement mis en évidence le rapportentre la mobilit é du foyer de fracture et la formation d ’un cal par lesdiff érentes couches osseuses. La connaissance de son tableau estindispensable à la compr éhension de l ’ostéosynth èse (Tableau 2).Apr ès une courte phase de formation du cal primaire, p érioste,corticales et m édullaire vont participer à la formation du cal de fa çontrès diff érente.

Le pé rioste forme rapidement un cal volumineux qui ponte le foyerde fracture et l ’immobilise progressivement. Ce cal est susceptiblede combler de larges pertes de substance. Il n écessite le respect destissus mous qui entourent l ’os. Le cal périosté est stimul é par unemobilit é du foyer de fracture. La stabilit é de ce foyer emp êche aucontraire sa formation. La formation de cal par le p érioste est parailleurs limit ée dans le temps, ce qui, nous le verrons, a desconséquences dans le concept d ’ostéosynth èse dynamique. Le calexterne est le m écanisme de consolidation le mieux connu et lemoins controvers é.La consolidation des corticales peut se produire « per primam »lorsque le contact entre les fragments est parfait. Ce fut la base de latechnique AO. Le plus souvent, il persiste des zones de contactimparfait, et l ’ossication se fait non par passage direct des ost éonsmais par ossi cation venue du voisinage ( gap heal ing). Dans les deux

cas, le cal cortical exige une stabilit é absolue du foyer de fracture. Ilest inhib é par la mobilit é à son niveau.

Le cal venu de la mé dullaire est de formation assez lente. Il est peusensible à la mobilit é dans le foyer de fracture.

Nouvelles études histologiques

Il y a quelques ann ées, nous avons repris l ’étude de ces cals. [41] Cetravail nous a montr é que le rôle du cal m édullaire a été jusqu ’icisous-estim é. Ilizarov insistait d é jà sur son importance. En site stable,les cellules pr écurseurs de la moelle forment à 6 semaines un disque biconcave d ’os immature qui s ’inltre entre les fragments de

corticale (Fig. 20). La p énétration du cal m édullaire entre lesfragments de corticale pour consolider celle-ci exige une stabilit éparfaite du foyer. À 12 semaines, de nouveaux syst èmes de Haversse sont form és dans le cal p ériost é et dans les corticales. Cessystèmes sont orient és dans tous les plans de l ’espace suivant lescontraintes locales, conform ément à la loi de Wolff. Pour plus dedétails, nous renvoyons le lecteur int éress é à notre article sur laconsolidation osseuse dans le m ême trait é. Le processus naturel deconsolidation passe par la formation rapide d ’un cal p ériost é,stimul é par une immobilisation imparfaite. Ce cal stabilise le foyer,qui est ensuite combl é par un cal venu de la m édullaire. Leremodelage reconstitue ensuite progressivement les corticales.

Tableau 2. – Diff é rents typesdecal d ’ ap r è s M acK ibbin (1978).

Type de consolidation Vitesse Comblement d ’u n esp ace To l érance à l’instabilit é Tolérance à la stabilit éabsolue Importance des tissus mous

Cal p ériost é +++ +++ +++ - ++++Cal cortical + - - ++++ -Cal m édullaire ++ ++++ lent ++ +++ -

Figure 20 Calmé dullaire à6 semaines.Lorsque le foyer aé té stabilisé par le cal pé -riosté ou par osté osynthèse, le cal mé dullaire s’in ltre entre les fragments de corticale.


12



l’application quotidienne d ’une stimulation m écanique axiale de360 N (500 cycles à 0,5 Hz) commenc ée 1 semaine apr ès la fractureet termin ée à la 12e semaine acc élère la consolidation par formationd’un cal p ériost é. Ces études prouvaient qu ’il est possible d ’agirmécaniquement sur la consolidation.Les résultats cliniques d ’Ilizarov qui remettait ses patients en chargetrès précocement, et de de Bastiani qui d é bloquait axialement sonxateur vers la 5 e semaine, con rmaient ces r ésultats exp érimentaux.

Applications

– Dynamisation de l ’enclouageL’école de Strasbourg a pr éconis é pendant des ann ées l adynamisation de l ’enclouage verrouill é par ablation des vis deverrouillage d ’un côté du foyer vers le 3 e mois, lorsque le cal tarde àse développer. Pratiqu é trop pr écocement, ce d éverrouillage risqued’entra î ner un tassement du foyer. R éalisé en revanche lorsque lefoyer est suffisamment englu é, i l n’entra î ne pas de mobilit éanormale mais une augmentation des contraintes dans l ’os,favorable au renforcement du cal suivant la loi de Wolff. La majorit édes auteurs r éservent maintenant le d éverrouillage aux évolutionsdéfavorables.Les résultats de cette technique de dynamisation ont été décevantspour ceux qui cherchaient à obtenir la consolidation. Cette d éceptionétait pr évisible. La technique pr éconisait en effet une xation stableau d é but, devenant ensuite instable pour favoriser la formation ducal (Fig. 22). Nous savons maintenant qu ’il faudrait faire l ’inverse,c’est-à-dire une xation l égèrement instable au d é but pour stimulerle cal périosté, suivie vers la 6 e semaine quand les possibilit és de cecal sont épuis ées, d’une stabilisation pour favoriser la min éralisationdu ca l p ériost é a ins i que la formation du cal cor t ica l e téventuellement m édullaire.En dehors des fractures comminutives pour lesquelles le maintiende la longueur est primordial, la dynamisation des clous devrait sefaire dans l ’ordre inverse, c ’est-à-dire en reportant à la 6e semainel’éventuel verrouillage d ’appoint ! Le d éverrouillage tardif pourrenforcer le cal avant l ’ablation totale du mat ériel conserve sonintérêt pour renforcer un cal d é jà existant.– Dynamisation des xateurs externesLa xation externe est le moyen d ’ostéosynth èse idéal pour la

xation dynamique. D ès le dé but des ann ées 1980, nous avons éténombreux à pr éconiser et à utiliser la diminution progressive de laraideur des montages en n de traitement, pour renforcer le cal etlimiter le risque de fracture it érative. Ce n ’est que plus tard, aumilieu des ann ées 1990, que les expériences de Kenwright ont attir él’attention sur l ’intérêt d ’une xation initiale l égèrement instable defaçon intermittente.En 1991, Kenwright et al. [24] ont publi é les premiers ré sultats demobilisation intermittente pr écoce destin ée à stimuler le calpériosté :

– dans une premi ère série, des mouvements axiaux de 1 mm ont étéappliqu és pendant 20 minutes chaque jour, en commen çant avant le7e jour ;– dans la deuxi ème série, le xateur était bloqu é en position deneutralisation.Globalement, les auteurs ont consid éré que la mobilisation axialeprécoce améliorait de 20 % les d élais de consolidation.Dans une deuxi ème publication de 1995, [54] les mêmes auteurs sesont content és d’une remise en charge pr écoce avec un xateurOrtho x bloqu é en position de neutralisation. La mobilit é ainsiobtenue dans le foyer variait de 0,2 à 0,9 mm, mais cette mobilit én’était pas purement axiale. Les conclusions de cette nouvelle étudesont beaucoup plus prudentes, et se r ésument à préciser que de

nouveaux travaux sont souhaitables pour évaluer l ’importance, lafréquence et la direction des mouvements susceptibles d ’inuencerla consolidation. Ils ont pu constater, en effet, que la mobilisationsyst ématique prolong ée d’une fracture complexe aboutit le plussouvent à des impasses de la consolidation apr ès épuisement du calpériost é. Les travaux de Noordeen et al. [45] montr èrent la m êmeann ée que la poursuite de micromouvements dans le foyer au-del àde quelques semaines provoque la formation d ’une pseudarthrose.

Comment pouvons-nous envisager les choses à la lumière de cesexpé riences ?

Apr ès 5 à 6 semaines, la mobilisation mod érée du foyer par remiseen charge intermittente pr écoce n’est plus susceptible de stimuler lecal périost é, dont les possibilit és de formation s ’épuisent avec letemps. Elle risque en revanche de d étruire une stabilisation pr écairequi allait permettre la p énétration d ’os immature entre les extr émitésosseuses. La logique est donc en faveur d ’un arr êt de la mobilisationdu foyer à ce stade, avec au contraire stabilisation permanentependant les semaines de maturation du cal. Suivis par un certainnombre de confr ères, nous avons propos é en 1996 [41] de commencerle traitement par une xation élastique permettant la stimulation ducal périosté. À la 6e semaine, lorsque les possibilit és de formation dece cal sont épuis ées, le foyer est stabilis é pour favoriser les calsmédullaire et éventuellement cortical (Fig. 23).

R a

i d e u r

d u m o n

t a g

e

D é v e r r o u

i l l a g e

A b l a t i o n

Temps

Renforcementdu cal

A

R a

i d e u r

d u m o n

t a g e

D é v e r r o u

i l l a g e

V e r r o u

i l l a g e

A b l a t i o n

Temps(semaines)

Renforcementdu cal

Stimulationcal p é riosté

6B

Figure 22 Dynamisation de l’enclouage. A. Au cours de la dynamisation classique, la raideur du montage est immé diate-ment à son maximum. Le dé verrouillage vers le deuxième mois ou plus tard ne peut plus stimuler le cal pé riosté . Ilne peut donc pasfavoriserla formation ducal.Il peut en revanche renforcer le cal si celui-ci existait dé jà.B. Le nouveau concept propose un enclouage initial non verrouillé pour stimulerle cal pé riosté par une lé gère instabilité , suivi d’un verrouillage vers la sixième se-maine pour stabiliser le foyer, et é ventuellement d’un dé verrouillage tardif pourrenforcer le cal. Ce concept ne peut s’appliquer que si le ré tablissement de la longueur n’impose pas un verrouillage immé diat.


14



Comment obtenir cette stabilisation ?Le dé blocage axial du xateur peut dans certains cas être utilis épour am éliorer la stabilit é. En effet dans l ’immense majorit é des cas,ce dé blocage axial n ’entra î ne paradoxalement pas d ’augmentationde la mobilit é dans le foyer. La suppression de l ’effet ressort desches provoque un l éger tassement de celui-ci et de ce fait uneamélioration de la stabilit é [1] . Le plus souvent, la stabilisation estobtenue en raidissant le montage. Lorsque celui-ci comporteplusieurs appareils, ils sont en g énéral mis en place lors de lapremi ère intervention mais certaines parties sont enlev ées jusqu ’à laphase de stabilisation. La reprise de l ’appui a par elle-m ême un effetpositif sur la formation osseuse. Les exp érimentations de Meadowset al. [34] ne laissent persister aucun doute à ce sujet. Mais la remiseen charge m ême limit ée à 75 %, des foyers instables n ’est pasenvisageable avant le 50 e jour au plus t ôt.Quand enlever le xateur ?La résistance du cal cro î t avec le temps, mais de fa çon assez brutale.

Le foyer mobile se ge en quelques jours. Les radiographiesappr écient la quantit é de cal mais pas ses qualit és mécaniques.Diff érents proc édés ont été testés41 pour évaluer la raideur du foyer.Nous citons celui publi é en 1994 par Richardson et al. [53] Ils évaluentla raideur du foyer :

– soit directement en appliquant un goniom ètre exible de part etd’autre de la fracture ou sur les ches apr ès ablation de l ’appareil ;

– soit indirectement par des jauges de contrainte plac ées sur lexateur en place.L’ordinateur calcule la raideur de la fracture en N/m/degr é. Àl’issue de cette étude, les auteurs ont adopt é la rigidit é de

15 N/m/degr é comme limite au-del à de laquelle le xateur peutêtre enlev é sans risque de fracture it érative. Le temps n écessairepour atteindre cette rigidit é a été en moyenne de 13 semaines pourles fractures stimul ées par micromouvements, et de 18 semainespour les fractures immobilis ées statiquement.Le xateur peut être enlev é en une seule fois lorsque le cal a atteintune rigidit é suffisante. Il existe un risque certain de fracture it érative.Pour éviter cette complication, nous pr éconisons depuis 1980 [23] ladérigidi cation progressive des montages pour renforcer le calencore fragile par un passage progressivement croissant descontraintes, conform ément à la loi de Wolff. Plut ôt que de secontenter d ’une d érigidi cation axiale qui ne r établit dans l ’os

qu ’une partie des contraintes, il est pr éf érable d ’adopter unedérigidi cation du montage dans toutes les directions, comme lesugg ère l’étude histologique des canaux de Havers en évolutiondans le cal. À quelques jours d ’intervalle, tout en poursuivant unappui total, les diff érentes pi èces du xateur sont progressivementenlev ées ou remplac ées (Fig. 24). Une gu être de protection estensuite appliqu ée systématiquement pendant quelques semaines.Kenwright(in [18] ) suit la m ême évolution, et insiste sur l ’absoluenécessité d’une stabilisation totale du foyer de fracture apr ès laphase de s t imula tion in i t ia l e du ca l p ériost é pa r de smicromouvements. La dynamisation de la xation externe est àl’heure actuelle tr ès largement utilis ée dans le monde. Son efficacit éest plus discut ée sur la formation du cal que sur la pr évention desfractures it ératives.

A pp l i ca t i on s au t r a i t em en t d e s f r a c t u r e s

T R A I T E M E N T O RT H O P ÉD I Q U E

Depuis les d é buts de l ’humanit é, les fractures ont été traitées parimmobilisation orthop édique, c ’est-à-dire par des attelles, puis plusr écemment pa r des p l ât res ou par extension cont inue.L’immobilisation ainsi r éalisée est tout à fait relative, ce quin’emp êche pas ces fractures de consolider en g énéral sans probl ème.Comme nous l ’avons vu, la formation du cal p ériosté est favoris éepar l ’instabilit é mod érée du foyer. Au bout d ’environ 6 semaines, cecal cesse d’évoluer mais il a immobilis é compl ètement le foyer et laconsolidation corticale par p énétration du cal venu de la m édullairepeut s ’effectuer. Compte tenu de ces remarquables r ésultats sur laconsolidation, il pourrait para î tre logique de s ’en tenir à ce mode detraitement. Les choses ne sont pas aussi simples et le traitementchirurgical s ’impose dans un grand nombre de cas. Le traitementorthop édique n écessite en effet une immobilisation prolong ée desmuscles et des articulations qui entra î ne une amyotrophie et unrisque notable de raideur articulaire. Par ailleurs, les fracturesépiphysaires et articulaires sont difficiles ou impossibles à réduireparfaitement et à contenir par un traitement orthop édique apr èsréduction.

Temps(semaines)

R enf or c

em

en

t

d u c al

Dérigidificationprogressivemultidirectionnelle

(Stade 3)Greffe osseuseprécoce apr ès cicatrisation parties molles

Comblement des espacesinterfragmentaires par lecal m édullaire

Stabilisation par d éblocage axial (fractures simples)ou rigidification du montage (fractures complexes)

B

6

A

Lambeauxmusculaires(avant 72 h)

Stimulationcal p é riost é

Mobilitéinterfragmentaire= 1 mm

R i g i d i t é

d u

f i x a t e u r

Figure 23 Fixation externe dynamique.


15



L’avantage du traitement chirurgical est de permettre :

– une r éduction le plus souvent exacte qui limite le risque d ’arthrosesecondaire par d éformation articulaire ou par d ésaxation ;– une xation autorisant une mobilisation rapide qui éviteamyotrophie et raideur articulaire.

O S T ÉO S Y N T H ÈS E PA R P L A Q U E

La mise en place d ’une plaque d ’os t éosynth èse se fa isantobligatoirement à foyer ouvert, il est indispensable d ’obtenir lastabilit é du foyer de fracture.

¶ S t ab i l i t é du f oye r

Comment obtenir cette stabilit é ? En augmentant la raideur del’implant et celle du montage.

Raideur de l ’implant

– ÉvaluationLa raideur en exion d ’une plaque peut être évalu ée [39] par la èche« h » que pr ésente un syst ème os-implant sous l ’action d ’un momentéchissant donn é. Soit M la longueur du bras de levier, F la forceappliqu ée, d la largeur du foyer de fracture comminutif et I lemoment d ’inertie de l ’implant. Une formule suffisamment approch éedonne pour la èche : h = (d M 2 F) / EI (Fig. 25).Pour une fracture comminutive et une force donn ée appliqu ée defaçon identique, la èche est d ’autant plus faible et la raideurd’autant plus grande que EI est élevé.– FacteursLa raideur d ’une plaque d épend de ses dimensions et du mat ériauutilisé.DimensionsLe moment d ’inertie I d épend en effet des dimensions de l ’implant.Pour une plaque, si L est sa largeur et e son épaisseur : I = Le 3 / 12Comme on peut le constater, l ’épaisseur d ’une plaque constitue lefacteur fondamental de sa raideur puisqu ’elle intervient par soncube. Doubler l ’épaisseur d ’une plaque a pour effet de multiplierpar 8 sa rigidit é. La mobilit é dans le foyer de fracture est diminu éed’autant. Il aurait fallu multiplier la largeur par 8 pour obtenir lemême résultat (Fig. 26). Les statistiques cliniques con rment cesnotions m écaniques. Les plaques d ’ostéosynth èse destin ées au f émurprésentent de grandes diff érences de raideur. Les plaques AO sont beaucoup moins raides que les plaques de Judet et que les plaquesMaconor 2 qui s ’en sont inspir ées sur le plan m écanique. Apr èsos t éosynth èse imm édiate, Taillard [ 6 0 ] a observ é 20 % depseudarthroses avec les plaques AO. Ce taux était de 16 % pourPiganiol. [48] À la même époque, Lignac et l ’équipe de R. Judet àGarches [29] ne constataient que 8,5 % de non-consolidations, soitdeux fois moins. Maté riau utilis é E repr ésente en effet le module d ’élasticité ou module de Young dumat ériau qui constitue l ’implant. Le E d ’un alliage cobalt-chromeest d ’environ 22 000 kgf/mm 2 (220 000 MPa). Le E de l’acierinoxydable est à peu pr ès de 20 000 kgf/mm 2 (200 000 MPa). Le Edes alliages de titane est approximativement de 11 000 kgf/mm 2

(110 000 MPa). Le E du carbone-carbone est au voisinage de4 000 kgf/mm 2 (40 000 MPa). Le E de l’os cortical en n, est en

Figure 24 Dé rigidi cation multidirectionnelle pour renforcerprogressivement uncal dé jà existant.

M

F

h

d

Figure 25 Raideur en exion d’un système os-implant. h = d· M2·F / EI.

12 64

e

LD

d

I = Le 3 I = D 4 -d 4

Figure 26 La raideur de l’implant dé pend de ses dimensions.


16



moyenne de 2 000 kgf/mm 2 (20 000 MPa). Ces notions un peuré barbatives ont des cons équences pratiques. Pour une fracturecomminutive, à dimensions égales, une plaque titane laisse persister

dans le foyer de fracture une mobilit é double de celle obtenue avecune plaque en acier ou en alliage cobalt-chrome. Les plaques encarbone, non mall éables, n ’ont jamais d épass é le stade exp érimental.Avec elles, dans les m êmes conditions, la mobilit é résiduelle auraitété multipli ée par 5. L’utilisation de ces implants risque doncd’entra î ner une instabilit é inacceptable dans le foyer. Ayant toujoursen tête qu ’à foyer ouvert une ost éosynth èse doit imp érativement êtrestable, les utilisateurs de plaques en titane doivent se souvenir quecelle-ci doit avoir une épaisseur sup érieure de 25 % à la plaquecorrespondante en acier, a n d’obtenir une stabilit é équivalente dufoyer. À une certaine p ériode, il était courant d ’entendre r éclamerdes implants à module d ’élasticité égal à celui de l ’os. Avec une

plaque ou un clou de ce type, la mobilit é d’un foyer comminutif serait 10 fois plus importante qu ’avec le même implant en acier.L’instabilit é serait énorme et la pseudarthrose assur ée.Ce n ’est que dans les fractures simples que l ’on peut, apr ès vissagedu foyer, envisager avec prudence des implants dont le moduled’élasticité est inf érieur à celui de l ’acier ou des implants d ’uneépaisseur plus faible.

Raideur du montageElle dépend de la raideur de la plaque mais aussi de la qualit é etdes performances de la xation de celle-ci à l’os, c’est-à-dire des viset des contacts os-plaque et os-vis.

– VisLe nombre de vis indispensables pour xer une plaque à l’os dépend dela taille et du poids du sujet mais surtout de la localisation. Onconsid ère qu ’il faut en moyenne prendre sept corticales de chaquecôté du foyer pour le f émur et le tibia, six pour l ’hum érus et cinqpour les deux os de l ’avant-bras. Pour que l ’ostéosynth èse restestable pendant le temps de la consolidation, il faut que ces vis restentefficaces. Or, sous l ’effet des contraintes qu ’elles subissent, ces vispeuvent se rompre, se d évisser ou s ’arracher par destruction du letosseux. Si cela se produit, l ’ostéosynth èse devient instable et laconsolidation ne se fait pas.Les contraintes supporté es par les vis doivent donc ê tre analysé es.

L’étude que nous avons consacr ée à cette question en 1979 [38]

à lasuite de la th èse d’un des auteurs (Cazenave), nous a montr é qu’ellessont de deux types (Fig. 27) :

– des contraintes de cisaillement qui tendent à rompre la vis auniveau de la jonction plaque-os ;– des contraintes longitudinales ou de traction-compression quitendent à l’arracher.Que ces contraintes soient d ’un type ou de l ’autre elles ont troisorigines (Fig. 28) :

– le vissage. Il provoque des contraintes longitudinales dans l ’os aucours du serrage. Ces contraintes visibles en photo élasticimétrie ont

été bien étudi ées par Blaimont et al. [8]

Ils ont montr é qu ’un serrageexcessif des vis entra î ne des modi cations de structure à typed ’écrasement osseux ou de ssures, pouvant aboutir à unedestruction de leur ancrage. L ’os qui est beaucoup plus élastiqueque la vis va se comprimer au cours du vissage comme un ressort.Ce ressort exerce ensuite une contrainte permanente sur le let de lavis, tendant à chasser celle-ci vers le bas et à plaquer sa t ête contrela plaque. Cette derni ère exerce une force de rappel dirig ée en sensinverse. La plus grande partie des contraintes dues au vissages’épuisent en frottement entre la t ête de vis et la plaque. Si unserrage excessif entra î ne une n écrose de la zone d ’appui du letosseux, le ressort se d étend, les contraintes de vissage sont annul éeset le blocage de la vis est supprim é. Celle-ci va se d évisser. Ce sontles contraintes de vissage qui assurent le blocage de la vis ;

– les mouvements du membre. Ils provoquent soit des contraintes decisaillement, soit des contraintes longitudinales de traction-compression. Ces derni ères s’ajoutent alg é briquement à celles duvissage :

– si les contraintes dans l ’os, au contact de la vis, se font dans lemême sens que les contraintes de vissage, elles augmentent celles-ci. La pression du let osseux sur le let de la vis peut devenirconsid érable et entra î ner une n écrose ou un écrasement osseux.La vis peut alors s ’arracher sans être d évissée ;

– si les contraintes dans l ’os se font en sens inverse, ellediminuent les contraintes de vissage et peuvent les annuler. Lavis est alors d é bloq u ée. La poursuite des mouvements vaentra î ner un effet de matage, c ’est-à-dire de petits mouvementsver ticaux qui éc rasent l ’os . Ces mouvemen ts sontautomatiquement transform és en rotation dans le sens dudévissage. La vis se d évisse et devient inefficace. C ’est alors savoisine qui supporte les contraintes et va subir le m ême sort, àmoins qu ’un pl âtre ou la consolidation arr êtent le processus ;

– la mise en compression du foyer. Elle produit des contraintes decisaillement éle v ées e t t ransforme une grande par t ie desdangereuses contraintes de traction-compression en contraintes de

cisaillement suppl émentaires. Nous allons voir que ces contraintespeuvent être divis ées par 3 en cr éant des asp érités sous la plaque.Les mesures et la photo élasticimétrie (Fig. 29) nous ont montr é [67]

que les vis les plus sollicit ées sont celles qui sont proches du foyer.Il existe à ce niveau deux couples de forces intenses surtout lorsquele foyer est large. Lorsque celui-ci est simplement impact é, lescontraintes de traction sont partiellement transform ées encontraintes de cisaillement. Les vis des extr émités de la plaque sontégalement sollicit ées en raison de la brutale discontinuit é élastiqueentre l ’os sain et l ’os rigidi é par l’implant. L ’amincissement desextr émit és de la plaque, c ’est-à-dire la cr éation d ’une plaque àexibilité variable, suivant le dessin que nous avions propos é en

Figure 27 Les deux types de contraintes au niveau des vis.

Figure 28 Origine des contraintes supporté es par les vis. 1. Contraintes dues auxmouvements ; 2.contraintes de vissage ; 3. effet ressort.


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1978, [37] diminue les contraintes de traction et leurs variations dansles vis des extr émités. Cette am élioration est si possible compl étée

par la mise en place d ’une vis courte en bout de plaque (Fig. 30).Une étude th éorique des contraintes de traction-compressionsupport ées par les vis de xation d ’une plaque [3, 37] nous a montr équ’il existe deux groupes de couples de force :

– le premier, d ’intensit é moyenne, concerne les vis des extr émitésdes plaques classiques, que l ’os soit fractur é ou consolid é. Ildispara î t dans les plaques à exibilité variable ;

– le deuxi ème groupe de couples, tr ès intenses, est situ é lorsque lefoyer de fracture est large, sur les vis proches du foyer de fracture. Ilest ind épendant de la forme de la plaque et dispara î t lorsque l ’os estconsolid é.

Les plaques à exibilité variable n ’ont malheureusement pas pu êtrecommercialis ées en raison de leur prix de revient.Le dévissage des vis de xation de la plaque sous l ’inuence descontraintes est donc la cause principale d ’échec.– Contact os-plaqueEn recherchant un moyen de minimiser les risques de d évissage,c’est-à-dire en fait les contraintes de cisaillement, nous avons aboutien 1977 au principe des plaques adh érentes. [36] C’est un proc édésimple pour diminuer ces contraintes support ées par les vis. Il suffitpour cela de cr éer des asp érités sur la face de la plaque qui est en

contact avec l ’os. Le coefficient de frottement entre une plaque banale et l ’os est faible. Sous l ’action des mouvements du membre,la plaque a tendance à glisser et à cisailler les vis. Une plaque dontla face osseuse est rugueuse a en revanche un coefficient defrottement avec l ’os très élevé (Fig. 31). Les vis servent alors surtoutà appliquer la plaque contre l ’os. Les mouvements transmis à laplaque par un fragment osseux sont transmis à l’autre fragment, nonseulement par les vis mais aussi par la totalit é de la plaque. Uneétude exp érimentale par photo élasticimétrie nous a con rmé que lescontraintes de cisaillement support ées par les vis sont divis ées enmoyenne par 3, ce qui diminue le risque de mobilisation des vis.L’expérimentation animale r éalisée par Comtet, Moyen et al. [14] puisla pratique clinique ont montr é que ce principe, n é d’un conceptmécanique, était plus int éressant encore sur le plan biologique. Lesaspérités évitent en effet la d évascularisation qui survient sous lesplaques classiques. Elles entra î nent par ailleurs la formation, entreles pointes ou les saillies, d ’un os nouveau hypervascularis é. Ceconcept a été à la base des implants Maconor 2 et Epiunion, et futensuite repris par les Suisses sous le terme de plaques à contactlimité (LC).– Contact plaque/visPlus r écemment, P. Surer a mis au point un excellent principe de blocage des t êtes de vis dans la plaque, évitant ainsi d énitivementtout risque de d évissage des vis. C ’est le syst ème Sur x

t

. Cette

Figure 29 Contraintes sur les deux vis situé es de part et d’autre d’un foyer large.Étude en photoé lasticimé trie. Le fragment du haut est poussé en exion vers l’arrière(vers la pointe des vis). Les contraintes sont visibles sous la forme de franges coloré esrouges, oranges et vertes. Plus ces franges sont nombreuses, plus les contraintes sonté levé es. Dans ce cas, les contraintes sont localisé es (en forme d’oreilles) sur les vis si-

tué es de part et d’autre du foyer. Les vis suivantes ne subissent que des contraintes mi-nimes.

Figure 30 Contraintesen boutde plaque.La brutale ruptured’é lasticité enboutde plaque est atté nué e par l’amincissement de l’extré mité de la plaque et par la mise en place d’une vis courte. Cette association minimise le risque de fracture à ce niveau encasde chute. Lescontraintessont maté rialisé es parles multiplesfrangescoloré esqui seconcentrent autour de la vis courte et à la partie supé rieure des deux vis voisines.

Figure 31 Plaques ad-hé rentes. A, B. Principe des plaques adhé rentes. Plaquenormale (A). Les tractionssur la plaque cisaillent les

vis et les mobilisent. Plaquerugueuse (B). Les vis ap- puient la plaque contre l’os.Le cisaillement est très for-tement diminué .C,D.N é o-vascularisation et os né o- formé entre les aspé rité s.Zone mal vascularisé e sousles plaques classiques (C).Formation de nouveauxvaisseaux et d’os nouveauentre les aspé rité s (D).


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technique, qu ’il serait id éal de coupler avec des asp érités sousl’implant pour les raisons vasculaires que nous venons d ’indiquer,assure le maintien de la stabilit é initialement choisie pour lemontage. Il existe d é jà de nombreuses variantes de ce principe de blocage.

¶ P r o p r i é t é s m é caniques de la p laque en fonct ion de sa f o r m e

En réalisant des copies en araldite des diff érentes plaques et en lesétudiant en photo élasticim étrie, il est possible de d éterminer lescontraintes qu ’elles subissent dans diff érentes circonstances. C ’est cequ ’a fait dans sa th èse en 1976 un membre de notre équipe,R. Zimmermann. [67] Il a ainsi pu montrer :

– la fragilisation des plaques à trous d écalés par la concentration decontraintes que provoque le d écalage lat éral des trous lors decertains mouvements (Fig. 32). La distribution des trous dans l ’axede la plaque est m écaniquement meilleure ;

– la nécessité d’une courbure transversale de la plaque adapt ée à laconvexit é de l’os. Ce point est particuli èrement sensible au niveaudu f émur, dont la diaphyse est tr ès convexe. Une plaque plane pos éesur elle ne s ’appuie que sur une ligne axiale et s ’avère facilementinstable en rotation.Cette exp érience illustre par ailleurs des notions connues :

– le déchargement des contraintes sur l ’implant que produitl’adjonction d ’une deuxi ème plaque ;

– le caractère asym étrique de la compression [22] qui provoque detrès fortes contraintes dans l ’os sous l ’implant. La vis du tendeur deplaque subit d ’énormes contraintes qui la fragilisent. Il est pr éf érablede la jeter apr ès usage (Fig. 33) ;

– la concentration des contraintes dans les vis proches du foyer etdans la partie centrale de la plaque lorsque le foyer est large(Fig. 29) ;

– le danger que repr ésente un trou sans vis au niveau d ’un foyerlarge. Les contraintes convergent à son niveau, provoquantrapidement de la corrosion sous tension, des ssures et la rupturede l ’implant (Fig. 34).

¶ P laqu es pos é es à foyer semi-ferm é Les longues plaques de pontage des foyers comminutifs,recommand ées par R. Judet et reprises r écemment avec desaméliorations par l ’AO, ne stabilisent pas parfaitement le foyer, en

raison de la longue portion sans vis. Elles donnent toutefois de bonsrésultats, car elles sont pos ées en respectant les muscles et unegrande partie du p érioste dans la partie comminutive. Cesconditions se rapprochent du foyer ferm é. Dans ce cas la xationélastique l égèrement instable qu ’elles réalisent est favorable.La réduction n écessite un distracteur ou l ’utilisation d ’une tableorthop édique. Parfai tement jus t i ée dans l e s f r ac turescomminutives, cette technique peut être discut ée dans les fracturessimples. La r éduction est assez souvent imparfaite, et un certainnombre de r ésultats qui sont pr ésentés comme des cas-mod èles sontincontestablement des cals l égèrement vicieux qui ont probablementun retentissement à long terme.

Figure 32 Fragilité des plaques à trous dé calé s. Lors de l’inclinaison laté rale d’un foyer large, les contraintesse localisentdans la plaque au niveau du foyer,mais surtoutdans la petite portion de plaque qui sé pare les trous du bord de la plaque. Il y a là uneconcentration excessive de contraintes qui favorise la corrosion, les ssures et la rup-ture de l’implant. Cette disposition des trous est à é viter.

Figure 33 Étude photoé lasticimé trique de la compression. La compression est asy-mé trique. Les contraintes sont très é levé es au niveau du foyer sous la plaque et nullesdu côté opposé . Ce phé nomène peut ê tre diminué en courbant la plaque. La vis du ten-

deur subit d’é normes contraintes.

Figure 34 Trou sansvis au niveau du foyer. Lescontraintesse concentrentàson niveau. Le risque derupture rapide de la plaqueest é levé .


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O ST ÉO S Y N T H ÈS E PA R C L O U

L’observation du clou de charpentier a permis à Kuntscherd’élaborer le principe de l ’enclavement solide intram édullaire parl’emploi de clous sp éciaux à rainures en forme de feuille de tr èe, etélastiques dans le sens du diam ètre.On sait depuis longtemps qu ’en fait l’appui se fait en trois ou quatrepoints seulement, malgr é l’alésage. Par sa situation sur la ligneneutre, le clou ne permet que deux fois moins de mouvementsangulaires du foyer qu ’un implant identique qui serait viss é à lasurface de l ’os comme une plaque (Fig. 35). Comme pour lesplaques, on obtient la stabilit é du foyer en augmentant la raideur del’implant et celle du montage.

¶ Ra ideu r du clou

La raideur du clou varie dans des proportions consid érables suivantla présence ou l ’absence d ’une fente. Les exp érimentations montrentque la rigidit é en torsion est 20 fois plus élevée lorsque le clou n ’estpas fendu, alors que la rigidit é en exion est comparable. Pour unclou, si D est le diam ètre ext érieur et d le diam ètre int érieur :

I = (D4 - d 4 ) / 64.Le clou est d ’autant plus raide que le diam ètre ext érieur est plusgrand et le diam ètre int érieur plus petit. Cette formule n ’est valableque pour un clou non fendu.

¶ Ra ideu r du mon tage

La raideur d ’un clou n ’est à prendre en compte que s ’il estparfaitement xé aux fragments osseux. Deux techniques sontsusceptibles d ’améliorer cette xation du clou à l’os : l’alésage et leverrouillage. Sans al ésage et sans verrouillage, un clou d ’alignementne stabilise pas la fracture en rotation. La s érie multicentrique deBenoit et al. [4] rapportait 29 % de pseudarthroses avec cettetechnique, r éalisée à foyer ouvert, au niveau du f émur. Avec al ésage

et toujours à foyer ouvert, le pourcentage d ’échec tombait à 5,5 %.Sans méconna î tre le rôle biologique des d é bris osseux produits parl’alésage, il est certain que celui-ci agit essentiellement en stabilisantune grande partie des fractures diaphysaires. La n écessit é destabilisation d ’un foyer ouvert ne se discute donc pas.La technique de l ’enclouage verrouill é a encore am élior é lastabilisation et de ce fait les r ésultats. La s érie de Wiss et Stetson àLos Angeles publi ée en 1995 [62] rapportait 2 % de pseudarthrosesdans l ’enclouage du tibia à foyer ferm é avec alésage et verrouillage.Ce pourcentage passait à 15 % si la fracture était ouverte mais pourdes raisons non m écaniques. Le verrouillage stabilise le foyer, uneimportante partie des contraintes passant gr âce à lui dans le clou et

dans les vis de verrouillage. En compensation, clou et vis sontexposés aux ruptures en fatigue car les contraintes qu ’ils supportentsont sup érieures à la limite de fatigue de l ’alliage dans lequel ils ontété réalisés. Ces complications sont surtout fr équentes lorsqu ’il s’agitde clous pleins, de petit calibre, verrouill és, mis en place sansalésage. Toutes les contraintes passent alors dans le clou et dans lesvis de verrouillage. Dans ce cas, suivant les s éries, les vis deverrouillage se sont rompues dans un pourcentage de cas variant de9 % avec les clous de Russel-Taylor à 41 % avec les clous AO. [21] De2 % à 5 % des clous se sont rompus. Ces complications m écaniquesont n écessité une reprise une fois sur deux.

F

F

X X = DxA

Y = DxA2

A

A

YD

D

2

Figure 35 Avantage de la position du clou. Par sa position au niveau de l’axe neu-tre, le clou divise par deux la possibilité de mouvement angulaire.

L

dO

F

PE IF = 1

3 PL3 I ~ 0,05d 4

A

1 cm2 cm

5 cm

x1 x7x4

B

A

B

C

C

Figure 36 Biomé canique de la xation externe unilaté rale. Le diamètre de la che joue un rôleprimordial,ainsique ladistanceos- xateur quiintervientpar soncube.En partant de la rigidité -té moin d’un xateur placé à 5 cm de l’os, on multiplie cette rigi-dité par 4 en l’approchant à 2 cm et par 7 en le mettant à 1 cm. Les ches doivent ê treespacé es au maximum sur chaque fragment. Pour trois ches (A, B, C) de la gure C,la meilleure disposition est celle qui est repré senté e en C


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O S T ÉO S Y N T H ÈS E PA R F I X AT E U R E X T E R N E

Les indications de la xation externe concernant essentiellement lesfractures ouvertes, le chirurgien doit chercher à obtenir la stabilit édu foyer.

¶ F ixa teu r simp l e , u n i l a t é r al

En 1980, nous avons entrepris de chiffrer exp érimentalementl’inuence m écanique des diff érents param ètres de la xationexterne, tels que le diam ètre des ches, leur écartement, leur positionpar rapport à la peau … [41] . Les résultats de ce travail ont été repris,conrmés par d ’autres publications et sont devenus « classiques ».Le lecteur int éressé les retrouvera en d étail dans l ’article de Lortat- Jacob. [30] Résumons-les en disant que, pour stabiliser le foyer, il fautchoisir des ches de gros diam ètre, écart ées au maximum. L ’appareildoit être plac é le plus pr ès possible de la peau. La stabilit é augmentede quatre fois en passant de 5 cm à 2 cm de la surface osseuse, et de

sept fois en passant de 5 cm à 1 cm (Fig. 36).

¶ M ontages associan t p l us ieurs x a teu r s

Dans une fracture transversale simple, la majorit é des contraintespassent dans l ’os grâce au contact des corticales. Les contraintes surles ches peuvent être réduites de 97 %. Un montage simple est alorssuffisant pour obtenir l ’indispensable stabilit é. Le xateur sertessentiellement à prot éger le foyer r éduit des contraintes ext érieures.Dans une fracture comminutive avec perte de substance osseuse, enrevanche, toutes les contraintes passent dans le xateur. S ’il estimpossible d ’obtenir une stabilit é absolue, il faut chercher par tousles moyens à limiter l ’instabilit é en augmentant au maximum larigidit é du montage [43] .De nombreuses études m écaniques comparatives entre les xateurset entre les montages de xateurs ont été publi ées au cours des

20 derni ères ann ées [40] . Nous ne pouvons pas les reprendre ici, etnous renvoyons le lecteur int éress é au volume n °58 des cahiersd’enseignement de la Sofcot « Fixation externe du squelette » [41] .

Co n cl u s i on L’os est un maté riau composite vivant hé té rogène, anisotrope etviscoé lastique beaucoup plus complexe que les maté riaux sur lesquelsles ingé nieurs travaillent habituellement.Compte tenu de ses proprié té s mé caniques et de la biomé canique de laconsolidation, on peut retenir quelques rè gles fondamentales : uneosté osynthèse est statique lorsque sa raideur ne varie pas pendant toutela pé riode de consolidation. On peut au contraire modi ervolontairement cette raideur au cours du traitement. C’est le nouveauconcept de xation dynamique ; à foyer fermé (traitement orthopé diqueou osté osynthèse), la xation d’une fracture peut laisser persister unetr ès lé gère instabilité du foyer pour stimuler le cal pé riosté . La formation de ce cal stabilise le foyer, ce qui permet à la consolidation dese complé ter ; à foyer ouvert, au contraire, une osté osynthèse par plaquequi est obligatoirement statique doit ê tre stable.Le concept de xation dynamique peut ê tre appliqué lors desosté osynthèses par clou ou par xateur externe. La raideur de cesosté osynthèses peut en effet ê tre modi é e dans le temps pour favoriser la formation du cal ou pour le renforcer. Favoriser la formation du calné cessite une xation lé gèrement instable pendant 5 à 6 semaines,suivie d’un retour à une stabilité totale. Renforcer le cal exige unedé rigidi cation progressive du moyen de xation, a n que le cal soitsoumis à une augmentation progressive des contraintes pour minimiserle risque de fracture ité rative.Ces notions sont le ré sultat d’observations cliniques. Les mé canismescellulaires et molé culaires de l’action de ces facteurs mé caniques sontencore inconnus. On é voque d’é ventuels mé canoré cepteurs de lamembrane cellulaire. Les facteurs mé caniques agissent probablement en produisant un signal é lectrique qui entraî ne la production de facteursosté o-inducteurs.

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