Mécanismes de propagation de fissure dans l'os cortical humain sur différentes sites appariés : approches biomécanique, tomographique et biochimique

Crack propagation mechanisms in human cortical bone on different paired anatomical locations : biomechanical, tomographic and biochemical approaches

• Auteur / Autrice : Rémy Gauthier
• Direction : David Mitton, Françoise Peyrin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biomécanique
• Date : Soutenance le 25/09/2017
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 1993-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Biomécanique et Mécanique des Chocs - Imagerie Tomographique et Radiothérapie
• Jury : Président / Présidente : Pascal Laugier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : David Rousseau
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Anne-Sophie Bonnet, Harry Van Lenthe

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux -- Fissuration

Os

Fractures

Chutes (accidents)

Mots clés libres

Ténacité de l’os cortical humain

Chute

Sites anatomiques appariés

Architecture tridimensionnelle

Cross-links

Human cortical bone toughness

Fall-like condition

Paired anatomical locations

Three-dimensional architecture

Collagen cross-links

Résumé

Il est estimé qu'une fracture se produit toutes les trois secondes autour du monde, accompagné par un risque élevé d'invalidité ou même de mortalité. La connaissance des mécanismes de fractures dans une configuration de chargement représentatif d'une chute semble être d'un intérêt majeur pour le développement de méthodes dédiées à la prédiction du risque de fracture. La ténacité est un paramètre approprié lorsqu'on s'intéresse à ces mécanismes de fracture, elle détermine l'énergie nécessaire pour propager une fissure à travers l'architecture du tissu. L'objectif de cette étude est d'évaluer la ténacité de l'os cortical humain, considérant à la fois des conditions chargement quasi-statique et représentatif d'une chute sur sites anatomiques appariés. L'acquisition d'images en micro-tomographie ainsi qu'une mesure des cross-links ont été réalisées afin d'évaluer leur influence sur les mécanismes fracture du tissu. Les résultats ont montré que dans des conditions quasi-statiques, les différents sites anatomiques présentent des propriétés mécaniques différentes : le radius résiste mieux à une propagation de fissure. Dans des conditions de chute, il n'y a plus de différences entre ces sites, mais la ténacité décroit de façon significative par rapport au chargement standard. L'os cortical résiste mieux à une propagation de fissure dans des conditions quasi-statiques. Les analyses structurales et biochimiques ont montré des différences entre les sites anatomiques qui expliquent les différences mécaniques. Les caractéristiques architecturales du tissu sont déterminantes vis-à-vis des mécanismes de fracture dans des conditions quasi-statiques. Mais leur rôle lors d'une chute est moins évident. Ces résultats impliquent que la microstructure de l'os cortical n'est pas un déterminant majeur vis-à-vis du risque de fracture. De futures études doivent être réalisées afin de déterminer les paramètres décisifs dans des conditions représentatives d'une chute

A fracture is estimated every three seconds in the world, leading to an increased risk of impairment or even mortality. The biomechanical knowledge of bone fracture mechanisms in a fall configuration of loading is of great interests for the development of clinical method for the prediction of the risk of fracture. Toughness seems to be a good candidate to investigate this fracture process as it corresponds to the energy needed to propagate a crack through cortical bone complex microstructure. The aim of this study was thus to evaluate human cortical bone toughness parameter under both quasi-static and fall-like loading conditions paired anatomical locations. Micro-computed tomography images using synchrotron radiation and collagen cross-links maturation measurements were performed to investigate the influence of the tissue architecture on crack propagation. Results found showed that under quasi-static condition, the different anatomical locations present different mechanical behavior. Radius significantly better resist crack propagation than the other studied location. Considering a fall-like loading condition, no more difference is observed between the locations but a significant decreased is measured compare to the first configuration. Human cortical bone has a better capacity to resist crack propagation under a standard quasi-static loading condition. By investigating the tissue morphometric and biochemical parameters, we observed different organization from a location to another that explains the mechanical differences. The architectural features appear to be determinant for crack propagation mechanisms under quasi-static condition, but they play a lesser role under fall-like condition. These results imply that the tissue microstructure is not a determinant when dealing with the prediction of the risk of fracture. Further work has to be done to reach out which parameters are more determinants under a specific fall-like loading condition