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Etude de la relation entre les propriétés matérielles et les caractéristiques mécaniques propres du tissu osseux évaluées par microscopie acoustique. Retentissement au niveau de la compétence biomécanique osseuse.

Doctorant : Mathilde GRANKE

Directeur de thèse : Pascal LAUGIER / Amena SAIED

Sujet : Etude de la relation entre les propriétés matérielles et les caractéristiques mécaniques propres du tissu osseux évaluées par microscopie acoustique. Retentissement au niveau de la compétence biomécanique osseuse.

Etablissement : Université Paris VII

Résumé :

L’os est un matériau complexe (poreux, composite, anisotrope, hétérogène, …) dont les propriétés biomécaniques dépendent de la composition et de la structure des phases organique (collagène) et minérale (hydroxyapatite) ainsi que de leur interaction mutuelle et de leur arrangement spatial à différentes échelles. La caractérisation de l’os reste d’actualité étant donné les enjeux de santé publique rencontrés dans diverses spécialités médicales (rhumatologie, orthopédie, pédiatrie, etc.). Les techniques d’imagerie, d’analyse tissulaire et mécanique de haute résolution sont de plus en plus utilisées pour l’évaluation quantitative des caractéristiques osseuses. Par la nature élastique des ondes utilisées, le microscope acoustique à balayage, dans la gamme de fréquence ultrasonore 50-1000 MHz, permet de s’affranchir de la microstructure et d’obtenir, via la mesure de l’impédance acoustique, la cartographie des coefficients élastiques propres du tissu à l’échelle du micron ou de la dizaine de microns.

Cette technique quantitative récemment développé dans notre laboratoire constitue un atout pour comprendre les phénomènes d’altérations de l’élasticité tissulaire (nécessaire à la caractérisation du risque de fractures osseuses ou de la physiopathologie du remodelage et pour obtenir des données sur le matériau pour alimenter les modèles mécaniques à différentes échelles.

Le projet de thèse est interdisciplinaire et vise 2 objectifs. Le premier consistera à évaluer et à comprendre l’impact des constituants osseux (composition et structure des phases minérale et collagénique) à l’échelle nanométrique sur les propriétés élastiques propres du tissu osseux mesurées à l’échelle microscopique par microscopie acoustique. La microscopie acoustique sera alors utilisée conjointement avec les techniques de rayons X de haute résolution -micro-tomographie par rayonnement synchrotron et diffusion SAXS), de microspectroscopie par absorption infra-rouge ou diffusion Raman et de microscopie optique en lumière polarisée pour analyser les caractéristiques des cristaux de minéral (densité, taille, orientation et composition) et de la matrice de collagène (composition, orientation et degré de pontage des fibres). Les expérimentations porteront sur la caractérisation d’os de fémurs humains et de souches de souris dont les modifications osseuses (génétiquement connues) sont associées à des modifications du degré de pontage et de la minéralisation de la matrice de collagène.

Le deuxième objectif sera de déterminer la relation entre les propriétés élastiques microscopiques et les propriétés mécaniques macroscopiques de l’os. L’étudiant devra contribuer à la formalisation de modèles mécaniques du tissu osseux pertinents pour l’analyse de l’interaction os-ultrasons. Ces modèles seront établis à partir de données obtenues lors de la première phase expérimentale de la thèse et le passage micro-macro utilisera en parallèle des méthodes numériques (éléments finis) et des méthodes analytiques d’homogénéisation multi-échelles. Ces changements d’échelles sont destinés à terme à mieux appréhender l’impact de facteurs compositionnels et structuraux sur les mesures ultrasonores réalisées à l’échelle macroscopique.

Collaboration :

Rattachement à un programme : Le travail s’inscrit dans le cadre du Laboratoire Européen Associé (Franco-Allemand), crée par le CNRS au 1er janvier 2008 sous la responsabilité de P. Laugier.