Modèle bio-tribologique des articulations : rôle mécanique et physicochimique des assemblages moléculaires du fluide synovial

• Auteur / Autrice : Ana-Maria Trunfio Sfarghiu
• Direction : Yves Berthier, Marie-Hélène Meurisse
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biomécanique
• Date : Soutenance en 2006
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LaMCoS, Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Solides, UMR 5514 (INSA Lyon2003-2007)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Prothèses

Articulations

Tribologie (technologie)

Résumé

Le but de ce travail est l'analyse du rôle des assemblages moléculaires du fluide synovial dans le fonctionnement tribologique d'une articulation naturelle saine et prothésée. Pour cela un modèle ex vivo réaliste reproduisant les caractéristiques mécaniques et physicochimiques d'une articulation naturelle a été conçu et exploité. Ce modèle reconstitue aussi ex vivo les propriétés mécaniques et physico-chimiques des cartilages articulaires en utilisant un matériau polymérique de type hydrogel. Le modèle reconstitue aussi ex vivo les assemblages moléculaires du fluide synovial (multicouches lipidiques et vésicules du gel synovial) en utilisant des techniques de physique nanostructurale comme le dépôt lipidique par éclatement de vésicules et par la co-adsorption des micelles, la fabrication des liposomes et la microscopie de force atomique. L'évolution de ces assemblages moléculaires est visualisée in situ, au cours d'essais de frottement, par microscopie optique en fluorescence obtenue avec des marqueurs moléculaires. Les résultats expérimentaux corrélés avec un modèle numérique des multicouches lipidiques (dynamique moléculaire) permettent de localiser où et comment s'effectue le glissement dans les assemblages moléculaires de la synovie ce qui contribue à expliquer l'origine des valeurs de frottement mesurées. Par exemple, si le glissement se localise dans le gel synovial le coefficient de frottement est de 0. 15, alors qu'il n'est que de 0. 0015 lorsqu'il se localise dans les multicouches lipidiques. Sur le plan appliqué, d'autres résultats montrent que l'hydrogel, simulant le cartilage, favorise la formation et le maintien des multicouches lipidiques, ce qui n'est pas le cas de l'acier et le polyéthylène des implants. Cela permet d'expliquer les différences de comportement tribologique dans les deux cas. Enfin, la mise en évidence d'une interdépendance entre les propriétés mécaniques et les propriétés physicochimiques de l'hydrogel a été exploitée pour comprendre des phénomènes mécaniques (variation du module d'élasticité, usure,. . . ) liées à l'évolution des pathologies

The aim of this work is to analyse the role of the molecular assemblies of the synovial fluid in the tribological function of a healthy or prosthetic natural joint. For that, it was conceived and used a realistic ex vivo model capable of reproducing the mechanical and physiochemical characteristics of the natural joint. This model reconstitutes: the properties of articular cartilage using polymeric materials like hydrogels. The structures associated with synovial fluid (lipid multilayer and synovial gel vehicles) using nanostructural physics techniques as lipidic deposit by bursting of blisters and co adsorption of micelles, fabrication of liposomes and atomic force microscopy. The evolution of these molecular assemblies during friction tests is visualized in situ using fluorescence microscopy and fluorescents molecular markers. The experimental results correlated with a numerical model for the lipidic multilayer allow locating where and how carried out the velocity accommodation between the molecular assemblies of synovial fluid in order to explain the origins of the values obtained after friction force measurements. As an example, if the velocity accommodation is localized in the synovial gel, friction coefficient is 0. 15, whereas it is just 0. 0015 when the accommodation is localized between the lipidic multilayer. As for applications, others results showed that the hydrogel, used as articular cartilage model, favors the formation and preservation of lipidic multilayer, but this is not the case for the implants materials such as stainless steel and polyethylene.