Ce mémoire présente une grande partie de mes travaux de recherche depuis mon recrutement au Laboratoire de Biomécanique des Chocs de l’INRETS, aujourd’hui Unité Mixte de Recherche de l’IFSTTAR et de l’UCBL.
Ces travaux sont basés sur des expérimentations sur matériel biologique avec une méthodologie qui consiste à quantifier à la fois la structure du matériel étudié et sa réponse mécanique à une sollicitation quasi-statique ou dynamique à rupture. Ces travaux ont pour objectif d’identifier et de quantifier les paramètres explicatifs majeurs du comportement mécanique du matériel étudié en vue de modéliser, de façons pertinente et personnalisable, à la fois leur comportement et leur rupture.
Sur les tissus biologiques mous, le contexte scientifique m’a orientée vers l’étude des tissus d’organes abdominaux pleins tels le foie, la rate, les reins. Assez rapidement, une hiérarchisation des priorités et des difficultés m’a conduite à m’intéresser aux membranes conjonctives fibreuses, qui constituent la capsule des organes, et sur le parenchyme hépatique. Sur ce type de tissus très structurés, l’intérêt de quantifier à la fois la structure et les propriétés mécaniques était assez évident. Pour cela, j’ai mis en œuvre des techniques existantes et standard dans d’autres domaines que celui de la biomécanique des chocs. Les techniques de caractérisation mécanique - traction unidirectionnelle, traction équiaxiale, mesure de champ de déformation par corrélation d’images - sont classiques pour des matériaux plus conventionnels (métaux ou polymères). Les techniques de coupe histologiques, de microscopie optique ou par fluorescence sont classiques en biologie cellulaire et anatomopathologie. Cela dit, le travail sur les tissus biologiques comme la peau, la capsule de Glisson et le parenchyme hépatique a nécessité de la rigueur et de la persévérance pour obtenir des protocoles reproductibles et des résultats fiables.
En parallèle de ce travail expérimental, la modélisation du comportement et de la rupture des membranes fibreuses a été développée sous la direction de Michel Coret, Michel Brunet et Alain Combescure au LaMCoS. Cette relation très étroite entre expérimentation et modélisation permet de valoriser les résultats expérimentaux et de faire des choix de modélisation qui facilitent l’exploitation dans de nouveaux modèles numériques d’organes personnalisables en terme de comportement à rupture. En effet, la personnalisation des modèles structuraux de comportement à rupture qui sont développés devrait permettre de représenter des cas physiologiques particuliers liés à des pathologies, au vieillissement, éventuellement de représenter le cas particulier de l’enfant.
Pour la suite de mes travaux sur les tissus biologiques mous, je me suis activement engagée dans la préparation de 2 sous-projets :
- la mise au point d’un protocole intégrant l’observation de la microstructure et le chargement mécanique simultanés sur les membranes fibreuses et le parenchyme hépatique. Ce travail a débuté dans le cadre d’une R2I IFSTTAR avec Mélanie Otténio (µFib3D), il se poursuivra dans le cadre de la collaboration avec Michel Coret, il s’appuiera sur les moyens d’imagerie de l’UCBL et à plus long terme de l’équipex Ingénierie et Vieillissement des Tissus Vivants (IVTV).
- la mise au point d’un protocole de caractérisation structurale et mécanique du foie humain. Ce travail sera réalisé en collaboration avec le LBA.
D’autres collaborations sont en discussion et devraient être l’occasion d’améliorer les protocoles d’essais sur tissus biologiques mous et de les valoriser par des modélisations. A plus long terme, en relation avec mes travaux sur le thorax in vivo et par analogie avec mon travail sur le foie, je souhaite aussi m’intéresser à la caractérisation structurale et mécanique des poumons. On retrouve dans les poumons d’une part, l’importance des aspects physiologiques sur le comportement mécanique de l’organe entier et d’autre part, un tissu fibreux très structuré pour lequel la quantification simultanée de la microstructure et des propriétés mécaniques peut alimenter des modèles de comportement et de rupture intéressants pour des applications dans le domaine de la traumatologie.
Concernant les structures osseuses, j’ai mené des travaux sur la face, l’os crânien, les pièces osseuses de l’épaule et la cage thoracique. Pour toutes ses structures, une analyse quantitative de la géométrie et des propriétés mécaniques, à différentes échelles, et sur un grand nombre d’échantillons, permet d’identifier les paramètres explicatifs du comportement mécanique de la structure et d’analyser leur variabilité intra et inter individus. C’est à partir de là que l’on peut décider d’un niveau de schématisation dans la modélisation de ces structures pour des applications de prédiction de blessures dans le domaine des transports ou de la traumatologie de façon plus générale. Mais pour cela, l’expérimentation sur pièces anatomiques ou corps légués à la science reste limitée en représentativité de la population et en nombre, ce qui conduit à des recherches longues, donnant des résultats parfois difficiles à compiler entre eux du fait de protocoles divers. Dans le projet Elderly, j’ai essayé de palier aux contraintes de l’expérimentation in vitro en proposant des expérimentations de chargement dynamique du thorax. Certes, ce type d’expérimentation présente aussi des limites, en premier lieu le caractère non invasif et non
lésionnel du chargement et des moyens d’observations ; mais il permet dans une certaine mesure de sélectionner les sujets et d’optimiser les analyses paramétriques sur le comportement mécanique du corps humain. Cette étude in vivo n’est pas la première réalisée au LBMC mais c’est le premier protocole qui comprend différentes expérimentations sur les mêmes sujets (mesure de la mobilité thoracique physiologique et choc léger) et qui prévoient des chargements dynamiques sur des sujets de plus de 55 ans. Les modélisations associées à ces études expérimentales ont été réalisées en collaboration avec différentes équipes en fonction des projets. Sur la face, j’ai pu compter sur l’expérience de Fabrice Morestin et de Michel Brunet du LaMCoS ; sur l’épaule, les modélisations ont été réalisées avec le soutien de Mecalog, éditeur du code Radioss et du modèle HUMOS2. Sur l’os crânien, nous travaillons étroitement, avec Pascal Drazétic et Rémi Delille du LAMIH, et Catherine Masson du LBA depuis 2006. Enfin sur le thorax, les simulations sont réalisées avec le modèle THUMS et la collaboration de Sabine Compigne de TME et d’intervenants de TMC.
Pour la suite de mes travaux sur les structures osseuses, je souhaite poursuivre les recherches sur l’os crânien. D’une part, de nombreux résultats expérimentaux acquis doivent être valorisés et d’autre part, ces résultats doivent être exploités pour le développement d’un modèle de voute crânienne personnalisable. Même si la personnalisation du crâne pour la prédiction des risques de blessures de la tête en cas de choc n’est pas un enjeu majeur, un tel modèle serait un outil très intéressant dans le domaine médical pour la simulation de prélèvement de greffon osseux ou la simulation des phénomènes d’ostéophonie par exemple.
En synthèse, je me suis efforcée de maintenir un équilibre entre des travaux de recherche assez fondamentaux sur les tissus biologiques et des travaux plus directement en lien avec les acteurs de la sécurité passive sur des segments corporels spécifiques.
J’ai essayé de proposer des protocoles nouveaux sur les tissus biologiques mous, des protocoles rigoureux et fiables sur les structures osseuses et je me suis engagée dans des expérimentations in vivo assez nouvelles.
A travers ces recherches, je me suis engagée pleinement dans l’encadrement de doctorant(e)s. J’ai essayé de leur transmettre ma vision de leur sujet de thèse et de leur donner les arguments pour défendre nos choix. De leur côté, ces étudiant(e)s se sont tou(te)s pleinement engagé(e)s dans leur sujet et ce mémoire est aussi le fruit de leur travail.