Caractérisation multiéchelle par rayonnement synchrotron des hétérogénéités mécaniques et microstructurales de l’os au cours de la régénération en lien avec les processus biologiques

Multi-scale characterization by synchrotron radiation of mechanical and microstructural heterogeneities of bone during regeneration in relation to biological processes

• Auteur / Autrice : Ameni Zaouali
• Direction : David Gloaguen, Valérie Geoffroy, Baptiste Girault
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance le 03/12/2019
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Centrale Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : COMUE : Université Bretagne Loire (2016-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de recherche en génie civil et mécanique (GeM). Equipe Etat Mécanique et Microstructure (Saint-Nazaire)
• Jury : Président / Présidente : Stephan Roth
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ridha Hambli, Pierre Weiss
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Daniel Chateigner, Hervé Petite

Mots clés

Mots clés contrôlés

Propriétés mécaniques

Os

Rayonnement synchrotron

Hydroxyapatite

Os -- Régénération (biologie)

Mots clés libres

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Résumé

La compréhension du comportement mécano-biologique du tissu régénéré à ses différentes échelles structurales est primordiale dans le but de proposer des outils d’aides au traitement des fractures osseuses. L'ambition de cette étude est de corréler le comportement mécanique de l’os régénéré par implantation, résolu dans le temps et dans l’espace, avec les processus biologiques associés. La taille et l'orientation des particules minérales osseuses (hydroxyapatite) ainsi que la distribution de la déformation des cristaux, mesurées in situ lors de chargement en traction par diffusion des rayons X aux grands (WAXS) et aux petits (SAXS) angles, ont été étudiées à différents stades de régénération. L'analyse a été complétée par une quantification des propriétés élastiques de l'os à l’échelle des lamelles grâce à des mesures par nanoindentation. Nos méthodes de caractérisation mécanique (essais de traction et nanoindentation) et biologique (mesures par microtomographie X et observations histologiques) multiéchelles ont été appliquées sur des défauts crâniens comblés par trois types d'implants ; 1) une greffe osseuse (Bone Graft -BG) : 2) des grains de phosphate de calcium biphasé (Biphasiç Calcium Phosphate - . BCP) et 3) un mélange de BCP avec de Ia moelle osseuee (Total Bone Marrow – TBM). Les résultats de cette étude montrent que l'utilisation du BCP comme matériau d’implant permet une récupération des propriétés structurales et mécaniques de l'os régénéré comparables à celles obtenues avec la greffe osseuse. Néanmoins, l'efficacité du BCP reste limitée malgré l’amélioration apportée par ajout de moelle osseuse totale.

Understanding the mecano-biological behavior of regenerated tissue is crucial in order to provide relevant tools in the treatment of bone fractures. The major challenge of this work is to correlate tíme and space resolved mechanical behavior of bone regenerated by implantation to the related biological processes. Size and orientation of bone mineral particles (hydroxyapatite) as well as crystal strain distribution under macroscopic tensile load through in situ WAXS and SAXS (Wide- Small-Angle X-ray Scattering) measurements have been investigated in various regeneration stage. This analysis has been completed quantifying bone elastíc properties at the lamellar scale thanks to nanoindentatlon measurements. Our multi-scale mechanical (tensile and nanoindentatlon tests) and biological (microtomography X measurements and histological observations) characterization methods have been applied to cranial defects filled with three types of implants: 1) Bone Graft (BG); 2) Biphasic Calcium Phosphate (BCP) grains and 3) a mixture of BCP with Total Bone Marrow (TBM). The major result of this study shows that the use of BCP, as an implant material, is suitable for a structural and mechanical property recovery of the regenerated bone as compared to that obtained with bone grafting. Nevertheless, the efficiency of BCP remains limited despite the improvement due to the addition of total bone marrow.