Caractérisation expérimentale ex vivo et modélisation du comportement visco-hyperélastique anisotrope des couches de l'œsophage humain

Ex vivo experimental investigations and modelling of the layer-dependent, anisotropic, visco-hyperelastic behaviour of the human oesophagus

• Auteur / Autrice : Ciara Durcan
• Direction : Gregory Chagnon, Mokarram Hossain
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie
• Date : Soutenance le 13/09/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes en cotutelle avec University of Wales, Swansea (1920-2007)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Recherche translationnelle et innovation en médecine et complexité (La Tronche, Isère, France ; 1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Wulf Dettmer
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sabine Rolland du Roscoat
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Georges Limbert, Mathias Brieu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Oesophage

Viscoélasticité

Anisotropie

Mots clés libres

Anisotrope

Tissu biologique

Viscoélastique

Viscoelastic

Anisotropic

Soft Tissue

Résumé

L’œsophage étant un organe mécanique, ses propriétés matérielles jouent un rôle intégral dans son fonctionnement. La quantification de ses propriétés est nécessaire pour étudier la physiopathologie de l'organe et est requise pour différentes applications comme la conception de dispositifs médicaux, les simulations chirurgicales et l'ingénierie tissulaire. Toutefois, une étude bibliographique des expérimentations mécaniques menées sur les organes gastro-intestinaux a montré que les propriétés des différentes couches de l'œsophage n'ont pas été étudiées sur des tissus humains, en particulier au niveau de son comportement viscoélastique et son comportement d'adoucissement sous contraintes. C'est pour cela que des expériences approfondies ont été menées pour déterminer la réponse matérielle de l'œsophage en fonction du temps, de la couche et de la direction, en utilisant des tissus cadavériques humains. Les contraintes internes de l’oesophage furent également prises en compte par le biais d'expériences sur l'angle d'ouverture lors de sa découpe. Dans l'ensemble, les résultats ont montré des propriétés distinctes dans chaque couche, soulignant l'importance de traiter l'œsophage comme un matériau composite multicouche. En outre, une forte anisotropie a été observée dans les deux couches, les directions longitudinales étant beaucoup plus rigides que les directions circonférentielles. En raison de la pandémie de COVID-19, le laboratoire d'anatomie n'a pas pu disposer de cadavres humains frais pendant une longue période. Par conséquent, les essais mécaniques ont d'abord été réalisés sur des tissus humains formolés, puis, une fois disponibles, sur des tissus humains frais. Cette circonstance imprévue a permis, par la comparaison des deux états de conservation, une discussion intéressante sur le rôle du mode de préservation sur le comportement du matériau, étude complétée par une analyse histologique pour déterminer les densités des fibres de l'œsophage les plus importantes sur le plan mécanique : le collagène et l'élastine. Ces connaissances ont ensuite été utilisées pour alimenter la modélisation mécanique du comportement de l’oesophage, dont le résultat a permis de décrire l'anisotropie, la visco-hyperélasticité et l’adoucissement observés dans les données expérimentales.

As a mechanical organ, the material properties of the oesophagus are integral to its function. The quantification of these properties is necessary to investigate the organ's pathophysiology and is required for a range of applications including medical device design, surgical simulations and tissue engineering. However, according to a systematic review of mechanical experimentation conducted on the gastrointestinal organs, the discrete layer-dependent properties of the oesophagus have not been investigated using human tissue, especially regarding its viscoelastic and stress-softening behaviour. Therefore, extensive experimentation was conducted to determine the time, layer and direction-dependent material response of the oesophagus using cadaveric human tissue. The residual strains of the organ were also considered via opening angle experiments. Overall, the results showed distinct properties in each layer, highlighting the importance of treating the oesophagus as a multi-layered composite material. Furthermore, a strong anisotropy was exhibited across both layers, where the longitudinal directions were much stiffer than the circumferential directions. Due to the COVID-19 pandemic, fresh human cadavers were not available from the anatomy laboratory for a considerable amount of time. Therefore, mechanical testing was first completed on embalmed human tissue and then, once available, fresh human tissue. This unforeseen circumstance, through comparison of the two preservation states, allowed for an interesting discussion on the role of the tissue’s constituents on its complex material behaviour. In addition, histological analysis was carried out to determine the density of the oesophagus’ most mechanically relevant fibres: collagen and elastin. This knowledge was then used to inform constitutive modelling of the soft tissue’s behaviour, the outcome of which was able to capture the anisotropy, visco-hyperelasticity and stress-softening observed in the experimental data.