Modeling of the bone-implant healing : mechanobiology of osteoblasts population in presence of endothelial cells

par Georges Khalil

Thèse de doctorat en Biomécanique

Sous la direction de Pascal Swider et de Pierre Mansat.

Soutenue en 2011

à Toulouse 3 .

  • Titre traduit

    Modélisation de la cicatrisation de l'interface os-implant : mécanobiologie de la population des ostéoblastes en présence de cellules endothéliales


  • Résumé

    La durée de vie d'une arthroplastie est étroitement liée à la qualité de la cicatrisation post-opératoire de l'interface os-implant. Malgré des résultats cliniques satisfaisants, les problèmes de reprise de prothèse (hanche, genou, épaule) sont en constante augmentation. L'hypothèse centrale du travail de recherche a consisté à supposer que la modélisation des intéractions mécanobiologiques et de la néo-vascularisation au sein des tissus biologiques de la zone périprothétique pouvait permettre d'aider dans la compréhension des phénomènes multifactoriels de cicatrisation. Une méthodologie propre aux transports réactifs en milieux poreux déformables a été associée à des concepts de migrations et de proliférations cellulaires en présence de facteurs de croissance pour proposer des lois de comportement mécanobiologiques de la cicatrisation intramembranaire. Ont été prises en compte les interactions entre les populations cellulaires ostéoblastiques, endotheliales, les facteurs de croissance osseux, les facteurs angiogéniques et fibronectines, pour établir les équations de croissance tissulaire. L'application a concerné un implant de référence (canine micromotion implant) développé dans le cadre d'une collaboration internationale (K. Søballe - Denmark, J. E. Bechtold - USA). La résolution numérique spatio-temporelle a été réalisée par la méthode des éléments finis et implémentée dans l'environnement COMSOL Multiphysics(r). Des études de sensibilités paramétriques ont permis d'évaluer le rôle de l'instabilité mécanique de l'implant et l'apport de la néo-vascularisation dans la zone périprothétique. Les résultats obtenus ont été en bon accord avec la base de données issue du modèle expérimental et avec les observations en environnement clinique. Ces résultats ont permis de conforter la stratégie originale mise en œuvre dans ce travail de recherche.


  • Résumé

    The long term survival of arthoplasty is strongly related to the quality of the immediative post-operative healing of periprosthetic tissue. Despite good clinical results, revisions are increasing (hip, knee, shoulder). The central hypothesis of this work was that modeling of mechanobiological interactions and neo-vascularization into biological tissues of periprosthetic zone might help to investigate the multifactorial events in tissue healing. The methodology of reactive transports in deformable porous media has been associated to computational cell biology (cellular migration and proliferation in presence of anabolic growth factors). The populations of osteoblasts and endothelial cells, the phases of bone growth factors, angiogenic factors and fibronectin have taken into account to propose a set of governing equations describing the process of intramembranous healing. The application concerned a reference experimental implant (canine micromotion implant) developed within the framework of an international collaboration (K. Søballe - Denmark, J. E. Bechtold - USA). The spatio-temporal resolution was achieved by using the finite element method (mixed formulation displacement-pressure) implemented into COMSOL Multiphysics(r). Parametric sensitivity studies were implemented to study the role of mechanical instability of implant and the supply from the neo-vascularization of the periprosthetic zone. The results were in good agreement with the experimental database from the canine experimental model and clinical observations. This confirmed the potential interests of our original methodology.

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  • Annexes : Bibliogr. p.

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