Modélisation multi-échelle du comportement mécanique des tissus mous du disque intervertébral humain et des mécanismes de couplage associés

Multi-scale modeling of the mechanical behavior of human intervertebral disc soft tissues and associated coupling mechanisms

• Auteur / Autrice : Ugo Cachot
• Direction : Fahmi Zairi
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2023
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : ENGSYS Sciences de l'ingénierie et des systèmes
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LGCgE - Laboratoire Génie Civil & Géo-Environnement

Mots clés

Mots clés libres

Tissus souples

Caractérisation expérimental

Modélisation constitutive

Multi-physique

Multi-échelle

Soft materials

Experimental characterization

Constitutive modeling

Multi-physics

Multi-scale

Résumé

Pour une création précise de modèles numériques des disques intervertébraux, la stratégie de modélisation doit être basée sur une relation fiable et réaliste entre microstructure, morphologie et caractéristiques mécaniques intrinsèques (incluant forte non-linéarité, viscosité et anisotropie) tout en considérant l'effet régional, le couplage avec l'environnement biochimique environnant ainsi que les mécanismes de dégénérescence qu'ils soient d'origine mécanique et/ou biologique. L'objectif est de proposer in-fine des méthodologies de calcul de pointe pour une meilleure compréhension de l'effet de l'âge et de la dégénérescence sur la réponse des différents disques de la colonne vertébrale. Ce projet de thèse repose sur le triptyque expérimentation/modélisation/simulation permettant de développer une approche de modélisation physiquement fondée, basées sur des observations expérimentales, d'en vérifier ses capacités prédictives et d'utiliser l'outil de simulation dans des configurations variées de chargements mécaniques. Il s'agira dans un premier temps de caractériser in vitro des tissus du disque intervertébral dans des conditions variées de chargements multi-axiaux (monotones et cycliques) et d'environnement. Le/La candidat(e) participera ensuite à la formulation d'un nouveau modèle de comportement faisant le lien direct entre la microstructure et la réponse mécanique du disque à partir d'une démarche multi-échelle formalisée dans le cadre de la mécanique des milieux continus. Le modèle tiendra compte des différents mécanismes de couplage multiphysique associés à la réponse chimio-mécano-biologique du disque. Ce travail sera suivi de l'implantation du modèle de comportement dans un code éléments finis et de sa vérification expérimentale à différentes échelles (à l'échelle microstructurale monolamellaire, à l'échelle régionale multi-lamellaire et à l'échelle d'un disque intervertébral complet) dans des conditions variées de chargements multi-axiaux (monotones et cycliques) et d'environnement. Cette vérification multi-échelles permettra de garantir la reproduction la plus réaliste possible du comportement mécanique du disque intervertébral en lien avec sa microstructure régionale.

For a precise creation of numerical models of intervertebral discs, the modeling strategy must be based on a reliable and realistic relationship between microstructure, morphology, and intrinsic mechanical features (including strong non-linearity, viscosity, and anisotropy), while considering the regional effect, the coupling with the surrounding biochemical environment, and the degeneration mechanisms whether they are of mechanical and/or biological origin. The objective is to ultimately propose advanced calculation methodologies for a better understanding of the effect of age and degeneration on the response of the different discs of the vertebral column. This thesis project is based on the experimentation/modeling/simulation triptych making it possible to develop a physically based modeling approach, based on experimental observations, to verify its predictive capacities and to use the simulation tool in various configurations of mechanical loadings. Initially, the candidate will characterize in vitro intervertebral disc tissues under various multi-axial loading conditions (monotonic and cyclic) and environments. The candidate will then participate in elaborating a new constitutive model that directly links the microstructure and the mechanical response of the disc based on a multi-scale approach formalized in the framework of continuum mechanics. The model will consider the different multiphysics coupling mechanisms associated with the chemo-mechano-biological response of the disc. This work will be followed by the implementation of the constitutive model into a finite element code and its experimental verification at different scales (the monolayer microstructural scale, the regional multilayer scale, and the scale of a complete intervertebral disc) under various multi-axial loading (monotonic and cyclic) and environmental conditions. This multi-scale verification will ensure the most realistic possible reproduction of the mechanical behavior of the intervertebral disc in relation to its regional microstructure.