Le tissu osseux

2.4.1. Les différents types d’os

Le tissu osseux est constitué d’eau (environ ¼ du poids de l’os), de matières organiques et de sels minéraux. La matrice de l’os est formée d’une partie organique (fibres de collagène), d’une phase minérale d’hydroxy-apatite (phosphate de calcium) et de carbonate de calcium, le tout est parcouru par un réseau de cellules et de vaisseaux sanguins (Fig.2.8). D’un point de vue macroscopique l’os est constitué d'une couche extérieure compacte appelée os corticalet d'un cœur poreux, s'il existe, appelé os spongieux outrabéculaire. Il s'agit alors d'un tissu hétérogène avec une architecture interne complexe, due à une répartition spatiale des pores, lui procurant un comportement mécanique anisotrope, c'est-àdire qu’il présente un comportement différent en réponse à des contraintes mécaniques, en fonction de la direction d’application de ces contraintes [16.17].

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36 2.4.2. La matrice extracellulaire (MEC)

• La matrice organique

La MEC organique est composée de microfibrilles de collagène I, de protéoglycanes, d'ostéopontine (reliant l'hydroxy-apatite aux cellules osseuses), d'ostéonectine (intervenant dans la minéralisation par son affinité pour le collagène I et le calcium), d'ostéocalcine (marqueur des ostéoblastes matures, intervenant dans la minéralisation), de sialoprotéine osseuse et de thrombospondine (permettant l'attache des cellules osseuses à la MEC via unrécepteur membranaire de la famille des intégrines). La MEC osseuse contient des cytokines et facteurs de croissance sécrétés par les ostéoblastes et jouant un rôle fondamental dans la régulation du remodelage du tissu osseux et de la minéralisation de la MEC osseuse.

• La phase minérale

Elle est constituée de cristaux d'hydroxy-apatite (phosphate de calcium cristallisé) et de carbonate de calcium. Ces cristaux sont visibles en microscopie électronique entre les fibres de collagène et/ou à l'intérieur de celles-ci, sous la forme de petites aiguilles hexagonales, denses aux électrons. Les ions Ca++ et PO4 situés en surface des cristaux participent à des échanges rapides avec le liquide interstitiel et donc avec le courant sanguin. L'os, qui contient 98 % du calcium de l'organisme, représente un réservoir de calcium et joue un rôle primordial dans le métabolisme phosphocalcique. La minéralisation de la MEC osseuse rend compte de la dureté de l'os.

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37 2.4.2.1. Structure de l’os cortical ou compact

L’os cortical représente 80 % de la masse totale du squelette. Il forme une coque externe de l’os et protège la partie interne constituée de tissus spongieux. Cette coque d’os compact dur et dense est particulièrement épaisse dans la portion moyenne du corps des os longs, ce qui leur procure la rigidité nécessaire. L’os cortical est formé par une association dense d’unités structurales élémentaires cylindriques appelées ostéons. L’ostéon est composé de lamelles concentriques au canal de Havers. Les ostéons sont reliés entre eux par des lamelles interstitielles formées par des restes d’ostéons antérieurs, l’ensemble donnant une structure compacte, hétérogène, anisotrope et viscoélastique (Fig.2.8).

2.4.2.2. Structure de l’os spongieux ou trabéculaire

Le tissu osseux spongieux est la partie interne poreuse de l’os, situé sous la corticale de tissu compact. Ainsi appelé en raison de sa structure en éponge, faite de travées osseuses, le tissu spongieux est surtout présent au niveau des épiphyses des os longs, telles que les têtes de fémur, sur lesquelles s’exerce les contraintes les plus importantes. Il joue un rôle d’amortisseur grâce à la moelle emprisonnée dans les alvéoles. C’est un os friable, il est constitué d’unités structurales élémentaires figurant des arches ou des plaques, sortes d’ostéons déroulés à texture lamellaire qui s’accolent les uns aux autres au niveau des lignes cémentantes pour former une travée (ou trabécule osseuse). Celles-ci, épaisses de 0,1 à 0,5mm et de directions variées (espace entre les travées variant entre 0,5 et 1mm), délimitent de petites cavités et forment une structure alvéolaire (Fig.2.8) [18].

2.4.3. Comportement mécanique du tissu osseux

L’os n’est pas un matériau inerte comme les matériaux classiques d’ingénierie, c’est un tissu vivant en perpétuelle évolution. Il subit un remaniement constant, le squelette se renouvelle de 10% tous les ans, il est continuellement résorbé et reconstruit. Bien que ce phénomène de remaniement soit le propre de tout os sain, la reconstruction est ralentie avec le vieillissement. Les changements de l'architecture et des propriétés induits par le vieillissement du tissu osseux sont bien connus. Des nombreuses études (Evans 1976 [15.16], Burstein et al.1976 [17], Mosekilde 1988 [18], Parfitt [19] ont été menées pour décrire ce phénomène. L'importance de ces études croit rapidement avec l'allongement de la durée de vie de l'homme. Il est reconnu, au moins en absence des maladies dégénératives de l'os, qu'une activité physique régulière permet de retarder la dégradation de l'os.

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Une autre forme de ce remaniement est connue sous le nom d'adaptation fonctionnelle et a été formalisée par Wolff [20] postulant qu'il existe une corrélation entre le champ de contraintes s'exerçant dans l'os et son architecture. Dans d'autres termes, l'os est une structure optimale par rapport à son environnement mécanique. Il a une habilité de maintenir une configuration géométrique optimale en adaptant sa forme extérieure et sa microstructure interne en fonction des stimuli mécaniques telle que la (vitesse de) déformation, la (vitesse de) contrainte ou l'énergie de déformation. Un autre exemple est lié à la mise en place d'un implant perturbant l'équilibre local de l'os dans son voisinage. La réussite de l'ostéointégration dépend du remaniement de l'os autour du corps étranger qui est l'implant.

Comme nous le verrons plus loin, ce remaniement dépend fortement des sollicitations auxquelles l'implant et l'os environnant sont soumis. Dans les trois cas cités ici, il apparaît un couplage entre les champs mécaniques exerçant dans le tissu osseux et le processus de remaniement de sa structure conduisant au changement des champs mécaniques. Un tel couplage fort est connu dans les sciences des matériaux. Citons par exemple le cas de la plasticité des métaux où les propriétés du matériau et sa microstructure sont induites par les déformations plastiques qu'il subit (Lipinski et al.1995 [21]). Cependant, de très fortes différences existent entre les deux évolutions. D'une part, l'évolution des propriétés des matériaux non vivants se fait pratiquement uniquement en respectant le principe de la conservation de masse. Ce principe n'est pas observé par les tissus vivants.