Tissu osseux

(a) (b)

Figure 2.5: L’analyse bidimensionnelle des propriétés mécaniques du tissu osseux par nanoindentation montre que la structure lamellaire induit une variation pério-dique du module élastique. (a) Topographie de lamelles d’un ostéon d’un fémur humain mesurée par AFM. Cette différence de topologie est due au fait que, lors du polissage, certaines lamelles s’usent plus vite que les autres ; (b) Cartographie correspondante du module d’indentation [157,126]

2.4.4 Tissu osseux

Propriétés mécaniques du tissu osseux

Le module élastique du tissu osseux humain hydraté (cortical et trabéculaire), mesuré par nanoindentation, varie entre 5 et 25 GP a d’après les données rapportées ces 10 dernières années dans la littérature [344, 178, 177, 463, 461]. L’élasticité du tissu osseux dépend principalement de son degré de minéralisation, de l’hydratation des échantillons et, dans une moindre mesure, des propriétés du collagène qui le com-pose. À l’heure actuelle, les propriétés plastiques du tissu osseux n’ont été mesurées que sur des échantillons de quelques millimètres dans l’os cortical et dans l’os trabé-culaire. Les mesures directes de plasticité sur travées isolées étant complexes, elles sont généralement considérées identiques à celles de l’os cortical. Cette hypothèse semble en adéquation avec les résultats de modèles en éléments finis [300, 283, 28]. Par la suite, nous allons voir les relations qui ont été mises en évidence entre les différents constituants du tissu osseux et ses propriétés mécaniques. Il ne faut toutefois pas perdre de vue que l’os est un matériau composite et que, malgré les tendances qui ont été observées, les propriétés mécaniques sont dépendantes des interactions entre les différents composants du tissu, interactions qui sont encore mal connues [307,92, 423].

Différence entre tissu trabéculaire et tissu cortical

A priori, peu de raisons existent pour expliquer les différences de propriétés

mé-caniques entre le tissu osseux constituant l’os cortical et l’os trabéculaire. Ceux-ci sont composés des mêmes constituants dans approximativement les mêmes propor-tions. Pourtant, plusieurs études suggèrent que le tissu trabéculaire serait moins rigide que le tissu cortical [343, 359, 347,405,463]. En moyenne, la différence entre les propriétés élastiques du tissu trabéculaire et du tissu cortical serait de l’ordre de 10 à 20 % [28,153,405]. Cette différence pourrait être expliquée par une activité du remodelage plus intense dans l’os trabéculaire, ce qui entraînerait une différence en

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contenu minéral. En effet, le tissu trabéculaire contiendrait 5 à 10% de minéral en moins par rapport au tissu cortical [176]. Par ailleurs, la différence d’organisation à l’échelle lamellaire entre les deux tissus, et en particulier la présence importante des lignes cémentantes dans le tissu trabéculaire, pourrait conduire à une résistance mécanique amoindrie du tissu trabéculaire [257].

Rôle de la minéralisation

Il est admis que la minéralisation globale de la matrice influence fortement les propriétés mécaniques de l’os [88, 87, 90]. Dès 1959, Vose et Kubala ont corrélé la résistance à la flexion au degré de minéralisation et ont démontré que de petites différences de minéralisation entraînent de grandes différences de la contrainte à rupture [425]. Une augmentation ou une diminution de la minéralisation globale du tissu osseux, par rapport à la valeur physiologique, est associée à une augmentation de la fragilité osseuse. Ainsi, une faible minéralisation (ex. ostéomalacie) rend les os mous et flexibles conduisant à des déformations excessives. Une forte minéralisation (ex. ostéopétrose), rend les os durs et fragiles et ceux-ci ne peuvent absorber que peu d’énergie avant de rompre. Selon Currey [88], le module élastique de l’os corti-cal dépendrait à 84 % de la densité minérale osseuse (DMO). Plusieurs études plus récentes, menées à l’échelle lamellaire, ont montré qu’il existe une forte corrélation entre les propriétés élastiques locales du tissu osseux mesurées par nanoindentation et le degré de minéralisation mesuré à la même échelle [126, 291, 292, 31, 38, 386]. Ainsi, plus le tissu osseux est minéralisé, plus son module de Young est élevé. Chez l’adulte, le degré de minéralisation dépend de l’âge du tissu, directement lié à la fréquence d’activation des unités de remodelage [356,41]. Plus la fréquence de remo-delage est faible, plus la phase de minéralisation est longue et plus le tissu osseux est rigide et fragile [92]. Comme le taux de remodelage dépend du site osseux, le module élastique moyen mesuré par nanoindentation dans le radius distal (E = 14 GP a) est supérieur à celui mesuré dans le col du fémur (E = 10 GP a), lui-même supérieur à celui de la cinquième vertèbre lombaire (E = 8 GP a) [178].

Une corrélation aussi élevée ne laisse que peu d’influence pour les propriétés de la matrice (orientation des fibres de collagène, présences de microfissures), mais ceci n’est probablement pas vrai en ce qui concerne les déformations hors du domaine élastique (i.e. domaine plastique, propriétés à rupture. . .).

Influence du collagène et de la teneur en eau

Ascenzi et al. ont mené une série d’expériences sur des ostéons isolés répar-tis en fonction de l’orientation des fibres de collagène et de leur contenu minéral [15, 16, 13, 14]. Les propriétés mécaniques de ces ostéons ont été déterminées par différents essais mécaniques (compression, traction, flexion et torsion). Il en ressort que, dans l’os cortical, l’orientation des fibres de collagène a une influence sur la résistance mécanique de l’os. Ainsi, des fibres de collagènes orientées longitudinale-ment favorisent la résistance à la traction alors que celles orientées transversalelongitudinale-ment favorisent la résistance à la compression [15, 16, 264]. Par ailleurs, Martin et al. ont montré que l’orientation des fibres de collagène était le meilleur paramètre prédi-sant la contrainte élastique du tissu osseux [264]. Il a été montré que le tissu osseux déshydraté est environ 20 % plus rigide que le tissu hydraté [170,177,346]. De plus, une diminution de la teneur en eau entraîne une diminution du travail à rupture

2.4 Propriétés mécaniques de l’os trabéculaire : du cristal à la macrostructure 45

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Type d’os Méthode

Module de Young

(GP a)

Condition

d’essai ^Référence

Calcanéum FEM (hexaèdres) 10, 3 Hydraté

Follet et al. [120]

Calcanéum FEM (poutres) 31, 5 Hydraté

Crête iliaque Flexion 3 points 3, 7 Hydraté

Kuhn et al. [220] Crête iliaque

(cortical)

Flexion 3 points 4, 8 Hydraté

Vertèbre L1 Nanoindentation 18, 2 Sec (inclus)

Roy et al. [359] Vertèbre L1

(cortical)

Nanoindentation 17, 4 Sec (inclus)

Vertèbre T6-L2 ^{Nanoindentation 12, 3 Sec} Wolfram et al. [445]

Nanoindentation 15, 4 Hydraté

Vertèbre L3 FEM (idéalisé) 3, 8 Hydraté Jensen et al. [193]

Vertèbre FEM (idéalisé) 12, 0 - Kim et al. [213]

Vertèbre L1 FEM (hexaèdres) 6, 6 Hydraté Ladd et al. [224]

Vertèbre Ultrasons 10, 0 Hydraté Nicholson et al. [298]

Vertèbre ^{FEM (hexaèdres) 10, 7 Hydraté} van Lenthe et al. [410]

FEM (poutres) 9, 0 Hydraté

Vertèbre T12 Nanoindentation 13, 5 Sec (inclus)

Rho et al. [347]

Tibia (cortical) Nanoindentation 24, 1 Sec (inclus)

Tibia Traction 10, 4 Sec

Rho et al. [343]

Tibia (cortical) Traction 18, 6 Sec

Tibia Ultrasons 14, 8 Hydraté

Tibia (cortical) Ultrasons 20, 7 Hydraté

Tibia proximal FEM (hexaèdres) 6.0 Hydraté van Rietbergen et al.

[416]

Tibia Flexion 3 points 4, 6 Hydraté

Choi et al. [77]

Tibia (cortical) Flexion 3 points 4, 4 Hydraté

Fémur distal Ultrasons 17, 5 Hydraté

Turner et al. [405] Fémur distal

(cortical)

Ultrasons 17, 7 Hydraté

Fémur Nanoindentation 18, 1 Sec

Fémur (cortical) Nanoindentation 20, 0 Sec

Fémur Nanoindentation 11, 4 Hydraté

Zysset et al. [463]

Fémur (cortical) Nanoindentation 16, 7 Hydraté

Fémur proximal Nanoindentation 22, 3 Sec (inclus) Smith et al. [386] Fémur proximal Nanoindentation 21, 1 Sec (inclus) Chevalier et al. [75]

Fémur distal Flambement 8, 7 Sec Runkle et Pugh [364]

Fémur proximal Flambement ^{14, 1 Sec} Townsend et al. [399]

11, 4 Hydraté

Fémur Ultrasons 12, 7 Hydraté Ashman et Rho [18]

Fémur Cantilever+FEM 6, 2 Hydraté Mente et Lewis [271]

Table 2.1: Estimations des propriétés élastiques du tissu osseux humain. Sauf in-dication contraire, les valeurs sont données pour de l’os trabéculaire [91].