Caractérisation et Modélisation de l'interface os-implant

par Florian Guillaume

Projet de thèse en Mécanique

Sous la direction de Guillaume Haïat et de Yvan Petit.

Thèses en préparation à Paris Est en cotutelle avec École de technologie supérieure , dans le cadre de École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....) , en partenariat avec MSME - Laboratoire de Modélisation et Simulation Multi Echelle (laboratoire) et de Biomécanique (BIOMECA) (equipe de recherche) depuis le 04-01-2017 .


  • Résumé

    Dans le cadre de la chirurgie orthopédique ou dentaire, les implants sont souvent utilisés pour retrouver une fonction perdue par l'organe ou la zone corporelle lésée. Cependant, des échecs chirurgicaux subsistent et sont souvent causés par une mauvaise qualité de remodelage osseux à l'interface avec l'implant. Ces phénomènes d'ostéointégration sont très complexes et dépendent de nombreux paramètres. Parmi eux, on peut nommer par exemple le chargement mécanique de l'implant sur l'os, le revêtement ou la rugosité de la surface de l'implant. L'objectif de ce projet de recherche est de parvenir à une meilleure compréhension des phénomènes d'ostéointégration et comprendre l'influence des paramètres précédents sur les propriétés de l'interface entre l'os et l'implant, en particulier les propriétés mécaniques de l'os nouvellement formé. Pour ce faire, cette étude comprend deux parties distinctes : une partie expérimentale réalisée à l'ETS de Montréal, et une partie de simulation numérique réalisée au laboratoire Modélisation et Simulation Multi-Echelle (MSME) à Créteil (France). La partie expérimentale mettra en œuvre un bioréacteur à perfusion afin d'étudier les phénomènes d'ostéointégration en limitant le nombre d'animaux. Ce système permet en effet de maintenir en vie des échantillons d'os en forçant les fluides biologiques à se propager au sein du tissu et ainsi fournir aux cellules osseuses ce dont elles ont besoin pour se développer. Différents implants seront placés sur les échantillons d'os tout en faisant varier les paramètres mentionnés précédemment entre les spécimens. L'interface os-implant des échantillons sera ensuite étudiée à travers différentes approches expérimentales comme la nanoindentation, l'analyse histologique ou l'étude de la stabilité par ultrasons. La simulation numérique permettra de modéliser l'interface entre l'os et l'implant et, en regard des résultats expérimentaux, d'avoir une meilleure compréhension des comportements en statique et en dynamique de cette interface. Elle permettra notamment d'estimer le chargement mécanique permettant une bonne ostéointégration ou au contraire la fracture ou la nécrose du tissu osseux, ou encore d'estimer la stabilité de l'implant dans l'os. La simulation numérique, lorsqu'elle sera validée par les essais in-vitro, sera aussi utile pour estimer des résultats qui n'auraient pas été obtenus expérimentalement. Grâce à cette étude, il sera possible d'avoir une idée plus précise de l'influence du chargement mécanique appliqué sur l'os et l'implant par le chirurgien pendant l'opération et par le patient pendant la rééducation sur la qualité de l'ostéointégration. Elle permettra aussi d'améliorer le design des implants, notamment concernant les surfaces en contact avec l'os, et de développer de nouvelles techniques pour mesurer la qualité de l'interface entre l'os et l'implant en clinique.

  • Titre traduit

    Characterization and Modeling of the bone-implant interface


  • Résumé

    In dental and orthopedic surgery, implants are used to recover a function lost by an organ or a wounded part of the body. However, surgical failures still remain due to poor bone remodeling at the interface with the implant. Osseointegration mechanisms are intricate and depend upon many parameters, such as: the mechanical load transmitted by the implant to the bone, the coating and the rugosity of the implant surface. The objective of this research project is to provide a better understanding of osseointegration phenomena and the influence of the previous parameters on the bone-implant interface properties, notably the mechanical properties of the newly formed bone. To do so, this study is divided into two parts: an experimental part done in the Ecole de Technologie Supérieure (ETS) of Montreal, and a numerical simulation part designed in the Modélisation et Simulation Multi-Echelle (MSME) laboratory in Créteil (France). The experimental part will implement a perfusion bioreactor in order to study the osseointegration pheonomena on ex vivo specimens. This system will enable maintaining alive bone specimens in a sterile chamber with sustained biological fluid flow providing to bone cells the necessary nutriments needed for their development. Several implants will be placed on bone samples by varying the above parameters between the specimens. The bone-implant interface will then be studied through different experimental procedures such as nanoindentation, histological analysis or stability analysis with ultrasound. Numerical simulations will aim to model the bone-implant interface, and will be compared to experimental results, to provide a better understanding of the static and dynamic behaviors of this interface. Mechanical loads leading to a good osseointegration or, on the contrary to fracture or bone necrosis could be estimated, as well as the stability of the implant in the bone. Once validated with the in-vitro tests, the numerical simulations will also be useful to further investigate the effect of parameters that could barely be obtained experimentally. This study will provide a better idea of the influence of the mechanical loads applied by the surgeon on the implant during surgery, and by the patient during rehabilitation, on the osseointegration quality. It will also allow improving the design of implants, notably at the interface with the bone, and it will lead to the development of new techniques for measuring clinically the bone-implant interface quality.