Approche micromécanique du remodelage osseux
Résumé
Ces dernières années, la compréhension du comportement mécanique de l'os cortical est devenu un élément prépondérant dans l'amélioration du risque fracturaire. Outre le fait, que l'os cortical peut être assimilé à un composite à quatre phases (ostéon, matrice, canaux de Havers, ligne cémentante...), il possède un caractère vivant lui permettant de se régénérer en permanence via un processus de remodelage. Ce mécanisme cellulaire influencé par les contraintes mécaniques conduit à la formation d'une microstructure hétérogène. L'objectif de ce travail est de mieux comprendre les déterminants à l'échelle de la microstructure du remodelage osseux. Dans cette étude, nous avons analysés différentes microstructures corticales fémorales humaines provenant de patients présentant des pathologies (ostéoporose) ou soumis à des chargements mécaniques spécifiques. Une étude systématique du contenu minéral (MEB), des propriétés mécaniques locales (microextensométrie, nanoindentation), et morphologiques (histomorphométrie) sera présentée. Dans une deuxième partie, nous présenterons des simulations multiéchelles dont l'objectif est de reproduire les microstructures observées expérimentalement à partir du mécanisme élémentaire de la formation d'un ostéon. Dans un premier temps, les résultats obtenus sur un ostéon isolé dans une matrice d'os primaire, soumise à des charges cycliques physiologiques représentatives d'activités quotidiennes, seront présentés. La simulation éléments finis, réalisée sous Comsol Multiphysics, mettra en évidence les différentes étapes du remodelage, i.e. l'initiation, la résorption, la réversion, l'apposition et la minéralisation. Dans un deuxième temps, nous avons introduit un critère de fatigue permettant l'apparition de microstructures Haversiennes résultantes du remodelage. Une discussion de ce critère et notamment de sa capacité à reproduire les différentes microstructures analysées expérimentalement sera développée. La fréquence du chargement et les forces mises en jeu seront des paramètres particulièrement analysés. A terme, le modèle proposé dans cette étude devrait permettre de mieux comprendre et quantifier les mécanismes mis en jeux dans le remodelage.