Evaluation des propriétés microélastiques de l'os par microscopie acoustique : influence des phases minérale et organique
par Fabienne Rupin
Thèse de doctorat en Physique. Acoustique
Sous la direction de Pascal Laugier.
Soutenue en 2009
à Paris 7 .
mots clés-
Résumé
La connaissance des paramètres déterminant la qualité osseuse et la compréhension de sa modification au cours de la vie, nécessite une caractérisation des propriétés mécaniques de l'os à différentes échelles. Si les caractéristiques élastiques macro- ou mésoscopique sont facilement accessibles, la caractérisation de la micro ou nanoélasticité de l'os reste un challenge. De plus, les facteurs déterminant la micro-élasticité tissulaire sont encore imparfaitement élucidés. Dans ce contexte, nous avons développé et validé la microscopie acoustique quantitative de haute résolution (SAM) pour cartographier la microélasticité de l'os. Nous montrons que l'utilisation combinée des techniques de nanoindentation (NI), de microtomographie synchrotron (SR-pCT) et du SAM permet d'obtenir une bonne corrélation entre l'impédance acoustique (Z), le module élastique qui en dérive et le module de NI. Nous montrons parallèlement que le degré de minéralisation (DMB) explique modérément les variations d'élasticité. Afin de rechercher les facteurs déterminant l'élasticité, le SAM est combiné aux techniques d'imagerie synchrotron (SR-|jCT et SAXS). Nous montrons que malgré un DMB quasi-homogène au sein de l'ostéon, Z présente une variation périodique alternant lamelles de haute et de faible impédance. Ces variations sont fortement corrélées à celles de l'intensité SAXS traduisant des changements d'orientation des fibrilles de collagène. Enfin, dans une application au remodelage osseux induit par sollicitation mécanique, nous montrons que l'adaptation du tissu trabéculaire se traduit par une augmentation de l'impédance acoustique qui refléterait le réarrangement du réseau de collagène.
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Titre traduit
Assessment of microelasticity of bone and its relationship to mineral and collagen structure using acoustic microscopy
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Résumé
The detailed Knowledge of the determinant parameters of bone quality and the understanding of its modification during lifetime require the characterization of bone mechanical properties at various length scales. If the macro- or meso-scopic mechanical properties are easily accessible, the characterization of the micro- or nano-elasticity of bone remains challenging. Furthermore, thee determinant factors of bone microelasticity are not fully understood. We have developed and validated high resolution quantitative acoustic microscopy (SAM) to map tissue microelasticity. By combining SAM, nanoindentation (NI) and Synchrotron microtomography (SR-|jCT) on site matched regions, we obtained a good correlation betweern acoustic impedance (Z), elastic modulus derived from Z and NI modulus. Simultaneously, the degree of mineralization of bone (DMB) was found to be moderately correlated to bone elasticity. To determine the bone properties the contribute to changes in elasticity, SAM and synchrotron imaging techniques (SR-pCT and SAXS) were combined. We show that, despite a quasi-homogeneous DMB within the osteon, the acoustic impedance image displays a periodic variations consisting of alternating lamellae of high and low Z values, which strongly correlates to layers of high and low SAXS integrated intensity, reflecting changes in collagen fibrils orientation Finally, SAM was used to evaluate changes in tissular microelasticity of trabecular bone that underwent remodelling induced by mechanical loading. We show that bone tissue adaptation leads to an increase in tissular acoustic impedance that might reflect the rearrangement of collagen fibrils
