Etude et conception d'assemblages de fibres d’hydrogel d’alcool polyvinylique pour la reconstruction ligamentaire

par Julien Caroux

Thèse de doctorat en Sciences et génie des matériaux

Sous la direction de Laurent Corte.

Soutenue le 07-03-2018

à Paris Sciences et Lettres , dans le cadre de SMI - Sciences des Métiers de l'Ingénieur , en partenariat avec Centre des Matériaux (laboratoire) et de École nationale supérieure des mines (Paris) (établissement de préparation de la thèse) .

Le président du jury était Didier Letourneur.

Le jury était composé de Véronique Viateau, Marc Soubeyrand.

Les rapporteurs étaient Florence Agnely, Philippe Poulin.


  • Résumé

    La rupture du Ligament Croisé Antérieur (LCA) est la blessure ligamentaire la plus fréquente avec une incidence de 1/3000. Elle est efficacement traitée aujourd’hui par une reconstruction par autogreffe tendineuse. Cependant, les problèmes causés par le prélèvement du greffon demeurent une limitation importante. Des substituts artificiels offrent une solution alternative mais la rupture et la génération de débris d’usure ont causé l’échec de la majorité des systèmes développés jusqu’à présent. Récemment, des travaux ont montré que des assemblages de fibres synthétiques d’hydrogel d’Alcool PolyVinylique (APV) reproduisent le comportement en traction du LCA humain. L’objectif principal de cette thèse a été d’explorer le potentiel de ces fibres pour la reconstruction ligamentaire en concevant et caractérisant des systèmes implantables pour une étude in vivo chez l’animal. Pour cela, j’ai réalisé une étude expérimentale depuis l’échelle de la fibre jusqu’à celle de l’implant complet. Deux types de fibres d’APV ont été caractérisés, obtenues par filage voie sèche (VS) et voie humide (VH). A l’échelle de la fibre, une étude microscopique et mécanique a mis en évidence un fort effet de l’orientation moléculaire sur le comportement en traction qui permet d’atteindre des modules élastiques très supérieurs à celui de films isotropes ayant un taux de gonflement équivalent. En particulier, les fibres VS présentent à 20°C un comportement en traction proche de celui du LCA. Cette étude montre également une forte dépendance en température du comportement mécanique et l’existence d’un phénomène de recouvrance par lequel des fibres étirées récupèrent leur comportement initial après un repos. Des observations in situ en diffraction des rayons X aux grands angles ont montré que la structure semi-cristalline des fibres résiste au gonflement et à une déformation représentative des sollicitations physiologiques. Un mécanisme microscopique basé sur ces résultats a été proposé qui explique le comportement mécanique des fibres par la dissociation et la reformation de liaisons hydrogène dans la phase amorphe. A l’échelle des assemblages de fibres, une étude systématique sur des structures torsadées et un modèle mécanique de structure double-hélice ont révélé que le gonflement confiné des fibres au sein des structures induit des états de contrainte interne permettant d’augmenter la rigidité des assemblages. A l’échelle de l’implant, des substituts compatibles avec le geste chirurgical ont été conçus grâce à une collaboration avec des partenaires cliniciens et biomécaniciens. Une étude in vivo sur modèle petit animal (lapin) de ligamentoplastie a permis de vérifier la bonne tolérance aux implants avec une encapsulation fibreuse modérée et a montré que le gonflement in vivo d’implants secs n’entraîne pas une réaction biologique délétère. L’ensemble de ces résultats a conduit à la conception d’implants complets à l’échelle du LCA humain qui ont été évalué dans un modèle grand animal (brebis) de ligamentoplastie. L’étude nécropsique et histologique sur les animaux implantés a montré une biocompatibilité comparable à celle observée sur les animaux reconstruits par autogreffe. En revanche, l’étude biomécanique révèle un taux de rupture intra-articulaire important (92%) des implants en fibres d’APV. Ces résultats permettent d’identifier des causes possibles d’endommagement et de proposer des pistes d’amélioration. Plus généralement, la bonne biocompatibilité des fibres d’hydrogel d’APV et leurs propriétés mécaniques en font des systèmes intéressants pour la reconstruction de tissus souples nécessitant une tenue en traction élevée.

  • Titre traduit

    Study and conception of poly(vinyl alcohol) hydrogel fibers assemblies for ligament reconstruction


  • Résumé

    The anterior cruciate ligament (ACL) rupture is the most frequent ligament injury with an occurrence of 1/3000. It is effectively treated nowadays by a reconstruction with tendinous autograft. However, the problems caused by the transplant harvest remain an important limitation. Artificial substitutes offer an alternative but the rupture rate and the generation of wear debris caused the failure of the majority of the systems developed until now. Recently, studies showed that assemblies of Poly(Vinyl Alcohol) hydrogel fibers mimic the human ACL behavior. The main objective of this thesis was to explore the potential of theses fibers for the ligament reconstruction by designing and characterizing implantable systems for an in vivo animal study. For that purpose, I conducted an experimental study from the fiber scale to the complete implant scale. Two types of PVA fibers were characterized, one obtained from dry spinning (DS) and the other from wet spinning (WS). At the fiber scale, a microscopic and mechanical study highlighted a strong effect of the molecular orientation on the tensile behavior, which allows to reach a much higher elastic modulus than that of an isotropic film with the same swelling ratio. In particular, DS fibers at 20°C exhibit a tensile behavior close to that of the ACL. This study also shows a strong temperature dependence of the mechanical behavior and the existence of recovery phenomenon by which the stretched fibers recover their initial behavior after a rest. In situ wide angle X-rays scattering showed that the fibers semi-crystalline structure resists to swelling and physiological range stretching. A microscopic mechanism based on these results was proposed to explain the fibers mechanical behavior by the dissociation and reformation of hydrogen bonds in the amorphous phase. At the fiber assemblies scale, a systematic study on twister structures and a l double-helix structure mechanical model revealed that the fibers confined swelling inside a structure induce internal stress leading to an increase of the assemblies stiffness. At the implant scale, substitutes compatible with the surgery were conceived in collaboration with clinicians and biomechanists. An in vivo study on a small animal ligamentoplasty model (rabbit) allowed to verify the implants tolerance with a moderate fibrous encapsulation and showed that the implants in vivo swelling does not induce noxious biological reaction. These results led to the conception of human scale implants which were evaluated in a large animal ligamentoplasty model (sheep). The necropsy and histological study on implanted animals showed a biocompatibility similar to that observed with animals reconstructed with an autograft. However, the biomechanical study revealed an important intra-articular rupture rate (92%) for PVA fibers implants. These results allow to identify possible damage causes and to offer ways of improvement. In general, the good biocompatibility of PVA hydrogel fibers and their mechanical properties make them interesting systems for the reconstruction of soft tissues with high tensile strength.



Le texte intégral de cette thèse sera accessible librement à partir du 07-03-2028

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