Effet de la composition du tissu osseux

Introduction

L’os cortical est un tissu complexe et multi-échelles dont la fonction principale est de résister aux contraintes mécaniques. La résistance osseuse dépend non seulement de la quantité de tissu osseux, mais aussi de sa qualité, et est caractérisée par la géométrie des os, la microarchitecture, le minéral, et le collagène. Pendant la croissance, le tissu osseux se développe et ses propriétés mécaniques évoluent. Cependant, peu d’études ont été menées pour expliquer le comportement mécanique de l’os en croissance chez l’humain, en particulier sur l’os cortical . Plusieurs études ont utilisé du tissu osseux animal pour étudier les changements dans le comportement mécanique pendant la croissance . Dans ces études il a été constaté que la résistance, la rigidité et la densité du tissu osseux augmentaient avec l’âge. Bien que les modèles animaux peuvent être une bonne alternative pour comprendre les mécanismes et les tendances pendant la croissance, du tissu osseux humain est nécessaire pour enquêter sur les différences réelles entre les os adultes et enfants. Plusieurs études sur l’os mature ont été menées pour expliquer le comportement mécanique de l’os. Ainsi, il a été démontré que le contenu minéral avait un rôle dans les propriétés élastiques du tissu osseux (résistance et rigidité) , alors que le collagène et les molécules de pontage semblent être liés au comportement plastique (ductilité et plasticité) 

Effet de la microarchitecture du réseau de pores sur l’élasticité du tissu osseux cortical à l’échelle méso scopique 

 La porosité intra corticale provient majoritairement des canaux de Havers et des canaux de Volkmann. Elle est un déterminant majeur de la résistance osseuse et du risque de fracture . Aujourd’hui, elle est évaluée uniquement comme une fraction volumique de pores (pourcentage de vide). Néanmoins, les canaux de Havers et les canaux de Volkmann forment un réseau tridimensionnel de canaux interconnectés . Pendant le remodelage osseux, la morphologie des canaux change et induit un changement architectural du réseau de pores. Ceci implique que, pour une porosité donnée, la façon dont le vide est organisé dans le volume osseux peut être différente (Figure II.8). Dans ce travail, nous avons supposé que la microarchitecture du réseau poreux (taille des pores, distribution spatiale,…) de l’os cortical influence sa rigidité pendant la croissance. Dans cette partie, nous proposons donc de mettre en lien l’étude sur l’architecture du réseau poreux faite par microtopographie (Chapitre II) avec l’étude de l’élasticité et de l’anisotropie de l’os cortical faite par essai ultrasonore (Chapitre III). Cette partie contient donc les résultats des échantillons qui ont été analysés par ces deux études, donc les résultats sur les fibules de 13 enfants (âge moyen : 13 ± 4 ans) et 16 adultes (âge moyen : 75 ± 13 ans). 2.2 Résultats Malgré les différences trouvées dans l’architecture du réseau poreux entre les enfants et les adultes, l’os cortical présente une isotropie transverse dans les deux groupes étudiés avec C33 > C11 = C22 > C44 = C55 > C66 . Cependant, par rapport aux enfants, tous les cœfficients de rigidité sont plus élevés chez l’adulte (+ 11%, + 17% et + 22% pour les C11, C22 et C33, respectivement, et + 17%, + 23% et + 20% pour les C44, C55 et C66, respectivement)(Table IV.1). 

 Discussion

Chez l’adulte, il est bien décrit que l’augmentation de la porosité avec l’âge est préjudiciable pour la résistance osseuse [7, 61, 93]. A l’échelle tissulaire, les variations de porosité corticale expliquent 62 à 98% de la variation des cœfficients élastiques en tension compression et en cisaillement [61, 107]. A l’échelle macroscopique, les variations de porosité explique la majorité des propriétés mécaniques des os longs [145]. Cependant, dans ces études, la porosité a été seulement considérée comme une fraction volumique de vide. Aucune information sur le rôle de la microarchitecture du réseau de pores sur le comportement mécanique de l’os n’est fournie. Dans notre étude, les résultats montrent que les propriétés élastiques sont influencées par la micro achitecture du réseau de pores indépendamment de l’évolution globale de la fraction volumique de pores. Les changements dans la séparation des pores et sa distribution ont été corrélés avec l’élasticité axiale en traction-compression. Ce résultat suggère que, pour une porosité donnée, la façon dont le vide est agencé dans le volume osseux affecte de manière significative l’élasticité de l’os. Chez l’adulte, la séparation entre les pores influt majoritairement sur l’élasticité axiale (C33), alors que l’élasticité transverse (C11 et C22) est liée aux diamètres des pores. L’architecture du réseau poreux a donc une influence sur les propriétés d’anisotropie du tissu osseux. Dans une étude, Fan et al. [52] ont effectué des essais de nano indentation sur du tissu osseux cortical. Ils ont mis en évidence des propriétés mécaniques différentes dans les directions axiale et transverse. Ceci implique que l’isotropie transverse du tissu osseux cortical chez l’adulte serait due à la fois aux propriétés du matériau osseux mais également à l’organisation du réseau de pores de l’os. Chez l’enfant, la séparation entre les pores impacte l’élasticité de manière équivalente dans les trois directions de l’os et le diamètre des pores n’a montré aucun lien avec l’élasticité. Ces résultats montrent que le réseau poreux influence de manière isotrope les propriétés élastiques du tissu osseux. Les résultats du Chapitre III montrent néanmoins une isotropie transverse chez l’enfant. L’explication de ce comportement chez l’enfant serait donc due uniquement aux propriétés matériaux du tissu osseux.