Caractérisation de l'anisotropie élastique de l'os à l'échelle microscopique

Elastic anisotropy characterization of bone at the microscopic scale

• Auteur / Autrice : Hélène Brockaert
• Direction : Marie-Christine Ho Ba Tho, Mohamed Rachik
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Bio-ingénierie, biomécanique, biomatériaux
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Compiègne

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microscopie à force atomique

Modèles mathématiques

Microscopie électronique à balayage

Éléments finis, Méthode des

Nanoindentation

Anisotropie

Os

Mots clés libres

Anisotropie élastique

Modélisation

Afm

Résumé

L’os est un matériau hétérogène complexe puisque sa structure multi-échelle lui confère des propriétés anisotropes. Aujourd’hui, ces propriétés mécaniques microscopiques sont encore mal connues. Elles sont étudiées principalement grâce à la nanoindentation. Néanmoins, cette technique de mesure ne permet pas de mesurer l’anisotropie locale. Ce travail a pour but de savoir s’il est envisageable d’obtenir des informations sur l’anisotropie du matériau en analysant l’empreinte résiduelle. Pour cela des essais de nanoindentation ont été réalisés sur de l’os et du PMMA à l’aide d’une pointe conique. Dans un premier temps, la forme 2D des empreintes obtenues par microscopie électronique à balayage est analysée puis il en est de même pour la forme 3D acquise par microscopie à force atomique. Enfin, un modèle éléments finis 3D a été construit sur Abaqus. Ce modèle représente une partie de l’échantillon et simule le test de nanoindentation. Il permet ainsi de comparer les empreintes expérimentales et numériques. Une étude de sensibilité concernant les propriétés du matériau et la géométrie de la pointe montre l’influence des ces paramètres sur la forme de l’empreinte résiduelle ainsi que celle de la courbe chargement/déchargement. Ceci permet de mettre en évidence les améliorations à apporter au modèle en vue d’identifier les propriétés mécaniques par méthodes inverses.

Bone is a complex and heterogeneous material because its multiscale structure gives anisotropic properties. Today, these microscopic mechanical properties are not well known. They are studied mainly through nanoindentation. Nevertheless, this measurement technique does not measure the local anisotropy. This study aims to know if it is possible to obtain information on the anisotropy of the material by analyzing the residual imprint. For this purpose, nanoindentation tests were performed on the bone and PMMA with a conical tip. Initially, the 2D shape of imprints obtained by scanning electron microscopy is analyzed and the same is performed for the 3D shape obtained by atomic force microscopy. Finally, a 3D finite element model was developed with Abaqus. This model represents a portion of the sample and simulates the nanoindentation test. It allows experimental and numerical imprints comparison. A sensitivity study on the material properties and tip geometry shows the influence of these parameters on the residual imprint shape and on the loading / unloading curve. This highlights the improvements to the model in order to identify the mechanical properties by inverse methods.