Caractérisation des couplages poro-mécaniques dans les tissus biologiques mous à paroi mince : application au disque temporomandibulaire

Characterisation of poro-mechanical couplings within thin layer soft biological tissues: application to the temporomandibular joint disc

• Auteur / Autrice : Caio De oliveira cafiero
• Direction : Anne-Sophie Bonnet, Adrien Baldit
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique des Matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 25/08/2022
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : C2MP - CHIMIE MECANIQUE MATERIAUX PHYSIQUE
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LEM3 - Laboratoire d Etude des Microstructures et de Mécanique des Matériaux

Mots clés

Mots clés libres

Expérimentation

Biomécanique

Tissus biologiques mous

Poro-mécanique

Simulation

Électro-mécanique

Electro-mechanics

Biomechanics

Simulation

Soft biological tissues

Poro-mechanics

Experiments

Résumé

Positionnement Dans un premier temps, de nombreux travaux ont été menés au sein du groupe depuis 2010 sur le comportement de l'articulation temporo-mandibulaire (ATM), siège de nombreux dysfonctionnements et pathologies. Cette articulation est composée de structures osseuses ainsi que de tissus mous avec pour élément principal le disque articulaire dont le comportement est encore très peu connu. Cependant, les travaux menés ont permis de construire de premiers modèles par éléments finis de l'ATM dans son environnement physiologique et de construire une base de données de référence sur la cinématique de cette articulation [Sapin-De Brosses et al., 2011; Alvarez Areiza et al., 2013; Creuillot et al., 2013; Koeppel et al., 2015; Creuillot et al., 2015; Tappert et al., 2017; Owashi Vallejo et al., 2017; Tappert et al., 2018; Sapin – de Brosses et al., 2019; do Nascimento et al., 2020; Tappert et al. 2022]. Les simulations par éléments finis ont mis en évidence le rôle primordial du disque, dans l'amortissement des mouvements de la mâchoire et l'optimisation des conditions tribologiques entre les différents composants. De premiers travaux sur la caractérisation du comportement du disque ont également été menés dans la thèse de Lara Kristin Tappert, soutenue en 2020. Durant cette thèse, un banc expérimental a été développé et a permis l'identification des propriétés mécaniques du disque, assimilé à une paroi mince, au cours d'essais de compression sphérique, sur la base de lois de comportement de type hyperélastique. Cependant, de nombreux travaux restent encore à mener, notamment pour prendre en compte le caractère visqueux et la composition biphasique du disque, avant de pouvoir intégrer ces lois de comportement au sein des modélisations par éléments finis de l'ATM développées dans notre groupe. Dans un second temps, des travaux plus récents ont été entrepris sur le comportement d'un autre tissu biologique mou, la peau, tissu pouvant aussi être assimilé à une paroi mince. Ces travaux sont conduits en partenariat avec le service des grands brûlés du CHR de Metz-Thionville et ont pour objectif de conduire à une meilleure prise en charge des patients sévèrement brûlés. Dans le cadre de ces recherches, le banc expérimental développé pour caractériser le comportement du disque de l'ATM a été exploité et enrichi afin de pouvoir réaliser des couplages électro-mécaniques en plus de ceux mentionnés précédemment. Objectifs et défi scientifique L'ATM est principalement constituée du condyle mandibulaire, de la fosse temporale et du disque articulaire. Les sollicitations imposées à la mâchoire inférieure quotidiennement sont transmises au crâne par l'intermédiaire du disque articulaire. Ces sollicitations dépendent de paramètres extrinsèques (force normale, amplitude et fréquence du mouvement relatif, …) et intrinsèques (T°C, milieu physiologique fluide, ...). De nombreux couplages interviennent au sein du tissu du disque pour maintenir et renouveler sa structure. Une modification des chargements physiologiques, volontaire ou non, peut être à l'origine d'une détérioration de l'articulation, mesurable à une échelle macroscopique (travaux de thèse de T. Koeppel, soutenue en 2017). Cette détérioration résulte de mécanismes d'endommagement et de remodelage du disque et des tissus environnants. Diagnostiquée suffisamment tôt, elle pourrait être minimisée. Pour pouvoir reproduire et prédire ces phénomènes, une modélisation précise du comportement des tissus composant l'ATM est nécessaire. Les travaux de la thèse de Lara Kristin Tappert ont permis de mettre en place une méthodologie pour la détermination des propriétés mécaniques du disque de l'ATM, à partir d'essais de compression sphérique cyclique à différentes vitesses. La base de données obtenue a permis de mettre en évidence le comportement visco-hyperélastique du disque assimilé à une paroi mince. L'anisotropie du tissu ainsi que ses contraintes internes ont été abordés mais nécessite davantage de mesures pour permettre leur caractérisation. Un des objectifs du nouveau projet doctoral sera de poursuivre ces développements en mettant en œuvre, par exemple, un modèle visco hyperélastique validé par les mesures réalisées par Lara Kristin Tappert. L'ajout du comportement anisotrope et bi-phasique sera traité dans un second temps pour avoir un modèle qui soit le plus proche de la réalité. Ce mimétisme des couplages dans le tissu est indispensable pour pouvoir prédire son comportement et son évolution, de l'organe (ATM) aux cellules qui maintiennent sa structure. Les résultats de ces travaux à l'échelle du tissu seront alors intégrés dans les modèles éléments finis globaux développés dans notre groupe. Cette expertise a été étendue depuis 2019 à la caractérisation de la peau, et plus particulièrement à la peau brûlée, qui peut aussi être assimilée à une paroi mince. En effet en terme de réponse mécanique, la peau a un comportement proche de celui du disque de l'ATM. Ces mesures ainsi que les modèles associés seront alors utilisés à des fins de compréhension quantitative des paramètres qui influencent le comportement de l'ATM et de la peau, afin de pouvoir proposer des solutions adaptées de chirurgies dentaire et/ou de remplacement prothétique de l'ATM ainsi qu'une optimisation des conditions de traitement des grands brûlés. En effet, que ce soit lors d'une modification de la sphère maxillo-faciale ou lors d'un traumatisme par brûlure, une altération des conditions environnementales peut notamment entraîner une usure prématurée ou une dégradation des tissus. Il est essentiel de comprendre les mécanismes multiphysiques se produisant dans ces tissus afin de pouvoir in fine proposer des simulations prédictives sur l'impact d'acte thérapeutiques et/ou chirurgicaux.

Positioning Initially, a lot of work has been carried out within the group since 2010 on the behaviour of the temporomandibular joint (TMJ), which is the site of many disorders and pathologies. This joint is composed of bony structures as well as soft tissues with the articular disc, main component, of which the behaviour is still very little known. However, the work carried out has made it possible to build finite element models of the TMJ in its physiological environment and to construct a reference database on the kinematics of this joint [Sapin-De Brosses et al, 2011; Alvarez Areiza et al. 2013; Creuillot et al. 2013; Koeppel et al. 2015; Creuillot et al. 2015; Tappert et al. 2017; Owashi Vallejo et al. 2017; Tappert et al. 2018; Sapin - de Brosses et al. 2019; do Nascimento et al. 2020; Tappert et al. 2022]. Finite element simulations have highlighted the crucial role of the disc in damping jaw movements and optimising the tribological conditions between the different components. Initial work on the characterisation of the disc behaviour was also carried out in the thesis of Lara Kristin Tappert, defended in 2020. During this thesis project, an experimental bench was developed and allowed the identification of the mechanical properties of the disc, assimilated to a thin wall, during spherical compression tests, on the basis of hyperelastic type behaviour laws. However, much work remains to be done, in particular to take into account the viscous character and the biphasic composition of the disc, before these behaviour laws can be integrated into the finite element modelling of the TMJ developed in our group. On the other hand, more recent work has been undertaken on the behaviour of another soft biological tissue, the skin, which can also be assimilated to a thin wall. This work is conducted in partnership with the burns department of the Metz-Thionville Regional Hospital and aims to improve the management of severely burned patients. Within the framework of this research, the experimental bench developed to characterise the behaviour of the TMJ disc was used and enriched in order to be able to carry out electro-mechanical couplings in addition to those previously mentioned. Objectives and scientific challenge The TMJ consists mainly of the mandibular condyle, the temporal fossa and the articular disc. The stresses imposed on the lower jaw on a daily basis are transmitted to the skull via the articular disc. These loads depend on extrinsic (normal force, amplitude and frequency of relative movement, etc...) and intrinsic (T°C, fluid physiological environment, etc...) parameters. Numerous couplings intervene within the disc tissue to maintain and renew its structure. A modification of the physiological loads, voluntary or not, can be at the origin of a deterioration of the joint, measurable at a macroscopic scale (thesis project of T. Koeppel, defended in 2017). This deterioration results from damage and remodelling mechanisms of the disc and surrounding tissues. If diagnosed early enough, it could be minimised. In order to reproduce and predict these phenomena, an accurate modelling of the behaviour of the tissues composing the TMJ is necessary. In her thesis project, Lara Kristin Tappert developed a methodology for determining the mechanical properties of the TMJ disc using cyclic spherical compression tests at different speeds. The database obtained allowed to highlight the visco-hyperelastic behaviour of the disc assimilated to a thin wall. The anisotropy of the tissue as well as its internal stresses have been addressed but more measurements are needed to allow their characterisation. One of the objectives of this new PhD project will be to continue these developments by implementing, for example, a visco-hyperelastic model validated by the measurements made by Lara Kristin Tappert. The addition of anisotropic and biphasic behaviour will be dealt with in a second step in order to have a model that is as close to reality as possible. This mimicry of the couplings in the tissue is essential to be able to predict its behaviour and its evolution, from the organ (TMJ) to the cells that maintain its structure. The results of this work at the tissue scale will then be integrated into the global finite element models developed in our group. This expertise has been extended since 2019 to the characterisation of the skin, and more particularly burnt skin, which can also be assimilated to a thin wall. Indeed, in terms of mechanical response, the skin has a behaviour close to that of the TMJ disc. These measurements and the associated models will then be used for a quantitative understanding of the parameters that influence the behaviour of the TMJ and the skin, in order to be able to propose adapted solutions for dental surgery and/or prosthetic replacement of the TMJ, as well as an optimisation of the treatment conditions for burn victims. Indeed, whether it is during a modification of the maxillofacial sphere or during a burn trauma, an alteration of the environmental conditions can notably lead to premature wear or tissue degradation. It is essential to understand the multiphysical mechanisms occurring in these tissues in order to be able to propose predictive simulations on the impact of therapeutic and/or surgical acts.