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Os/cartilage
Mise à jour : 28 septembre 2011Lois de comportement de matériaux vivants et caractérisation du cartilage articulaire
On s’intéresse ici à la détermination des caractéristiques des os, du cartilage et des ligaments et à l’étude de leurs comportements allant jusqu’à la rupture.
Le comportement mécanique et à la rupture des os compacts a été étudié en développant un modèle multi-échelle. Les situations considérées sont celles où les os sont soumis à des sollicitations statiques et dynamiques allant jusqu’à la rupture et correspondant à des champs de contraintes modifiés suite à des situations de chocs (accidentologie, traumatologie sportive), ou lors de l’implantation et de la présence d’un matériau artificiel (prothèse). Le travail de recherche est mené aussi bien sur le plan expérimental, théorique que numérique avec la volonté de concevoir et de développer des "outils" de diagnostics ou d’analyse prédictive des os qu’il s’agisse de biomécanique ou de génie biomédical. L’originalité du travail expérimental vient de la combinaison de diverses méthodes expérimentales (Essais de traction/compression, Rayons X, Ultrasons) utilisées, et de pouvoir décrire explicitement l’environnement mécanique de la structure à l’échelle microscopique. Ce dernier point permet d’appréhender les processus par lesquels le système microscopique osseux réagit au changement de régime de contraintes macroscopiques qui lui sont appliquées. L’approche numérique est basée sur un passage nano-micro et les équations constitutives sont décrites au niveau de l’assemblage microfibrilles-fibrilles-fibres-lamelles. Il s’agit de définir des éléments où les interactions sont gérées par de la cohésion et du frottement ce qui autorise la rupture (par décohésion des fibres) au-delà d’un certain seuil de contraintes. Le mode de rupture obtenu peut être assimilé à un mode de rupture en avalanche où la décohésion entre deux fibres entraîne la décohésion des fibres voisines et ceci très rapidement. Un modèle phénoménologique caractérisant le comportement de la structure fibreuse et basé sur les étapes précédentes a été développé. Les résultats qualitatifs obtenus ont été comparés aux résultats expérimentaux.
Compte tenu du contexte expérimental, le nombre d’essais réalisé est forcément limité. Il est alors indispensable d’utiliser une méthodologie performante pour extraire le maximum d’informations contenues dans les données disponibles. La Méthodologie de la Recherche Expérimentale (MRE), propose une approche optimale de ce type de problème. L’expérience acquise par nos chercheurs dans ce domaine sera indispensable dans la mise en œuvre du plan expérimental.
Evaluation des risques fracturaires liés à l’ostéoporose
Cette partie a fait l’objet du Master recherche de T. Le Corroller pour ce qui concerne la partie liée à l’imagerie médicale et fait l’objet de la thèse de M. Tellache pour la partie mécanique. Cette étude réalisée par des biomécaniciens et des cliniciens a pour objectif de contribuer à une meilleure analyse des facteurs déterminants le risque fractuaire lié à l’ostéoporose et de mieux cibler la population à qui une thérapie est nécessaire. L’ outil développé pourra également servir comme outil d’analyse de l’efficacité des traitements et d’une manière générale. Enfin, à plus long terme, cette étude pourra être utilisée pour l’évaluation de l’os cortical lors de la consolidation osseuse post-fracturaire.
Le risque fracturaire est qualifié par plusieurs moyens radiographiques et techniques ultrasonores. Ces outils ont été développés pour quantifier la perte osseuse des régions sensiblement fragilisées par l’ostéoporose (vertèbres, col du fémur) ou facilement accessible (calcanéum, tibia). Le moyen le plus utilisé est la Densité Minérale Osseuse quantifiée par DEXA (Dual Energy X–ray Absorptiometry). Cette technique, fournie une information sur l’état de calcification de l’os par rapport à des populations standards. Elle ne fournit pas d’information sur l’état structurel de l’os. D’autres méthodes d’imagerie se sont intéressées à l’état structurel de l’os spongieux sans prendre en compte l’enveloppe d’os compact. Les méthodes de dépistages actuellement disponibles fournissent des indications générales sur l’état de minéralisation global de l’os sans discrimination entre l’os spongieux et l’os cortical. Elles ne fournissent pas d’informations sur les dégénérescences structurelles des différentes composantes osseuses (trabéculaire et compact) ni sur leurs détériorations matérielles engendrées par l’ostéoporose.
Dans le but d’améliorer le dépistage des risques fracturaires liés aux dégradations osseuses, nous proposons d’étudier la contribution des différentes parties osseuses (os cortical et trabéculaire fémoral) à la résistance aux sollicitations traumatiques avec prise en compte de paramètres propres à chaque patient (activité musculaire, position anatomique de l’os, géométrie et propriétés mécaniques des différentes composantes,...). Dans un premier temps, nous allons distinguer la contribution de l’élasticité de la matrice osseuse et la contribution des pores (forme, volume) aux propriétés élastiques globales. Des essais seront réalisés en compression allant jusqu’à la rupture sur la partie proximale des os de fémur humains.
L’étude de densité, l’acquisition de la géométrie sur scanner des os frais, l’ensemble des analyses associées à ses acquisitions ainsi que les analyses histologiques seront réalisées. Les résultats permettront d’analyser l’évolution du déplacement en fonction de la force et les zones de rupture. Les jauges nous permettront de mesurer les déformations locales sur les régions définies. Puis, la zone de rupture sera analysée par histologie pour mieux visualiser les zones de fragilisation de l’os. Enfin, un modèle Résistance Des Matériaux sera développé.
Régénération du tissu vivant
Cette partie fait l’objet d’une collaboration avec Hassan Zahouani du Laboratoire de Tribiologie et de Dynamique des Systèmes, Ecole Centrale de Lyon et fait l’objet de la thèse de D. Moukoko chirurgien praticien (Hôpital Montpellier) ainsi que de la thèse de R. Casanova. Les processus de réparation des lésions cartilagineuses in vivo sont très limités. On ne reconnaît pas au cartilage de potentiel de régénération, chez les mammifères. Cependant, il est possible d’initier des processus de régénération tissulaire mésenchymateux qui impliquent des précurseurs cellulaires des lignées chondrogéniques. Ainsi, si les voies de différenciation sont maîtrisées, il apparaît envisageable de régénérer du cartilage articulaire. Cette expérimentation est consacrée à l’étude des facteurs mécaniques de différenciation cartilagineuse. Elle a pour objectif à terme, d’acquérir des techniques de régénération articulaire, in vivo, en alternatives à des procédés palliatifs tels que les arthroplasties mécaniques. La modélisation de diverses phases du processus de régénération tissulaire enrichira les connaissances de mécano-biologie des tissus squelettiques. Le modèle expérimental se base sur la régénération de la région du genou chez le lapin New zealand. La mobilité du genou sera contrôlée par la motorisation d’un fixateur externe articulé. Parallèlement, nous définirons l’environnement mécanique des précurseurs cellulaires indifférenciés impliqués dans le processus de régénération. Il est largement admis que l’environnement mécanique organise la différenciation cellulaire du processus de régénération squelettique. Quelques paramètres mécaniques ont été identifiés, notamment les variations de pression hydrostatique. Nous cherchons à identifier d’autres paramètres mécaniques qui contribuent à l’organisation architecturale du régénérat articulaire. In vitro, nous nous proposons de caractériser ces matériaux néo-formés à la fois par des techniques d’imagerie, d’histologie et des essais mécaniques classiques pour étudier leur comportement. Les propriétés mécaniques seront déterminées au cours d’essais d’indentation, de traction/compression jusqu’à la rupture. Tous les essais seront menés en quasi-statique de manière à pouvoir négliger les effets viscoélastiques liés à la présence du fluide ainsi que les effets de fluage. Etant donné la forte sensibilité des propriétés mécaniques du cartilage à la composition de la matrice fluide, on prendra soin de garder humidifié l‘échantillon. Cela sera réalisé avec une solution physiologique saline contenant des inhibiteurs de prothéase. Le modèle de comportement identifié de ces structures sera simulé par des techniques de modélisation par éléments finis. Les domaines d’application sont multiples :
- La prise en charge thérapeutique des malformations et déformations articulaires tirera un profit immédiat des résultats attendus, notamment s’il est démontré que les contraintes tangentielles appliquées à l’interligne articulaire contribuent à son organisation anatomique.
- La reconstruction chirurgicale des pertes de substances cartilagineuses pourra s’accompagner de protocoles postopératoires plus précis permettant d’optimiser la qualité du régénérat tissulaire.
- Une meilleure maîtrise des paramètres mécaniques contribuant à l’organisation architecturale tissulaire permet une optimisation des propriétés biologiques des tissus articulaires issus de l’ingénierie tissulaire.
Ainsi, cette approche fondamentale de la mécanorégulation cellulaire des tissus squelettiques permet d’envisager des applications thérapeutiques à très court terme.
