Contribution à l’étude de la croissance du disque intervertébral et de cartilage de synthèse

Contribution to the study of intervertebral disk growth and synthetic cartilage

• Auteur / Autrice : Gilles Dusfour
• Direction : Patrick Cañadas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et génie civil
• Date : Soutenance le 27/11/2018
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Mécanique et Génie Civil (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Pascal Swider
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patrick Cañadas, Pascal Swider, Pierre Badel, Jérôme Noailly, Martine Pithioux, Dominique Ambard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre Badel, Jérôme Noailly

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hyperélasticité

Génie tissulaire

Croissance

Mots clés libres

Croissance

Déformations résiduelles

Ingénierie tissulaire

Corrélation d'image

Annulus fibrosus

Hyperélasticité

Growth

Residual strains

Tissue engineering

Digital image correlation

Annulus fibrosus

Hyperelasticity

Résumé

Ce travail de thèse a pour ambition d'apporter une contribution à l'étude de la croissance du disque intervertébral. Il s'inscrit dans un projet de recherche qui vise à développer de nouveaux outils prédictifs afin d'améliorer le traitement de pathologies liées au phénomène de croissance des cartilages et des fibrocartilages. Un second objectif est d'apporter des éléments de compréhension qui pourraient être utiles pour le développement de techniques novatrices d'ingénierie tissulaire.La première partie expérimentale de ce travail consiste en l'identification de propriétés mécanique quasi-statique de l'annulus fibrosus du disque intervertébral, au travers d'une loi de comportement hyperélastique anisotrope, ainsi que d'un champ de déformations résiduelles présent au sein de l'annulus fibrosus, par le biais d'un outil de corrélation d'images numériques. Cette double identification permet à la fois d'estimer le champ de contrainte in vivo de l'annulus fibrosus, mais aussi d'obtenir une trace historique du processus de croissance qui nous servira de référence dans la suite de l'étude.La prise en compte des déformations résiduelles dans un modèle numérique d'annulus fibrosus a permis de constater l’homogénéisation spatiale des déformations lors de chargements physiologiques. Ces résultats soulignent l’importance de la considération des déformations résiduelles dans l’estimation des déformations et des contraintes subies in vivo par l’annulus fibrosus. De plus, un scénario de croissance de l'annulus fibrosus associé à deux critères mécaniques générateurs de croissance ont aussi été implémentés en utilisant la méthode des éléments finis. Les résultats de cette étude numérique n'ont pas permis de reproduire le champ de déformations résiduelles estimé expérimentalement. Seul le modèle de croissance utilisant un critère mécanique anisotrope prenant en compte la direction des fibres présentes dans l’annulus fibrosus et dans le cas d’un chargement omettant volontairement un chargement vertical sur l’annulus fibrosus a permis de reproduire qualitativement les déformations résiduelles tangentielles mesurées expérimentalement.Afin de compléter la compréhension du phénomène de croissance du cartilage, une étude biomécanique d'un modèle in vitro de cartilage de synthèse a mis en évidence l'impact du facteur de croissance TGF-beta3 sur la rigidité de la matrice extra-cellulaire. Une corrélation forte entre les expressions géniques des cellules de cartilage et les propriétés mécaniques de la matrice extra-cellulaire a été trouvée. Cette corrélation forte entre l’activité cellulaire et la rigidité de la matrice extra-cellulaire, couplée à la difficulté des modèles de croissance actuels uniquement basés sur des critères mécaniques, ouvre d’intéressantes perspectives d’études sur la compréhension du phénomène de croissance sous contrainte mécanique. L'étude approfondie de cet échantillon permettra à terme d'enrichir les modèles de croissance afin de prendre en compte les différents phénomènes physiques présent au sein des tissus biologiques.

This thesis aims to contribute to the study of the intervertebral disc growth. It is a part of a global reasearch program which focuses on the development of new predictive tools to improve treatments related to cartilage and fibrocartilage growth phenomenon pathologies. A second objective is to provide elements of understanding that could be useful for the development of innovative tissue engineering technics.The first experimental part of this work consists in the identification of quasi-static mechanical properties of the annulus fibrosus of the intervertebral disk, through an anisotropic hyperelastic constitutive law, as well as a residual strains field present within the annulus fibrosus, through a digital image correlation tool. This double identification makes it possible both to estimate the stress field in vivo of the annulus fibrosus, but also to obtain a historical trace of the growth process which will serve us as a reference in the rest of the study.We note the spatial homogenization of the deformations during physiological loadings when residual strains field is take into account in a numerical model of annulus fibrosus. These results underline the importance of the consideration of residual strains in the estimation of the deformations and stresses undergone by the annulus fibrosus.In addition, a growth scenario of the annulus fibrosus associated with two mechanical growth criterias has also been implemented using the finite element method. The results of this numerical study did not make it possible to reproduce the residual strains field estimated experimentally. Only the growth model using an anisotropic mechanical criterion taking into account the fibers direction present in the annulus fibrosus and in the case of a deliberately omitted load in the vertical direction on the annulus fibrosus has made it possible to qualitatively reproduce the tangential residual strains measured experimentally.In order to complete the understanding of cartilage growth, a biomechanical study of a synthetic in vitro cartilage model revealed the impact of the TGF-beta3 growth factor on the extracellular matrix cartilage stiffness. A strong correlation between the cartilage cell gene expressions and the mechanical properties of the extracellular matrix was found. This strong correlation between cellular activity and the rigidity of the extracellular matrix, coupled with the difficulty of the current growth models based solely on mechanical criteria, opens up interesting prospects for studies on the understanding of the phenomenon of growth under mechanical stimulus. In-depth study of this sample will eventually enrich the growth models to take into account the different physical phenomena present in biological tissues.