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Os spongieux ou os trabéculaire est typiquement présent dans les os courts, tel que les vertèbres. Il présente des propriétés mécaniques propres.

La caractérisation des propriétés mécaniques de l’os spongieux est un sujet d'étude intéressant différents domaines tels que l’archéologie, la médecine humaine et vétérinaire ou l’accidentologie.

Dans le domaine médical, l’étude du comportement mécanique de l’os s’est efforcé de répondre à des besoins liés à une meilleure prise en charge de certaines affections comme l’ostéoporose, ou le vieillissement articulaire (arthroplasties, implants d’ostéosynthèse, matériaux de comblement…).

L’os cortical a été plus largement étudié que l’os spongieux (ou os trabéculaire), non seulement parce que l’os cortical a été longtemps considéré comme le tissu le plus mécanocompétent, mais également pour des raisons techniques associées à sa caractérisation. Le comportement mécanique de l’os trabéculaire intervient dans les problématiques d’interface de nombreux implants prothétiques et d’ostéosynthèse. Le retour vers les prothèses non cimentées qui aident à la reprise ultérieure d’une arthroplastie de première intention, le développement des techniques mini-invasives qui impliquent un allongement des implants et une fixation loin du foyer de fracture en région métaphysaire, sont par exemple deux questions cliniques restant à résoudre.

En outre, l’os trabéculaire est soumis à des variations de ses propriétés mécaniques physiologiquement lors du remodelage osseux, mais aussi dans des conditions pathologiques lors de traumatisme, d’ostéoporose ou d’évolution tumorale. Sa caractérisation mécanique permet donc de répondre à des nécessités thérapeutiques, diagnostiques et pronostiques.

Les données publiées sur la caractérisation mécanique de l’os trabéculaire présente un grande variabilité des protocoles utilisés. De nombreux facteurs impactent les paramètres mécaniques de l’os : espèce, localisation anatomique, type d’os (cortical, trabéculaire), âge, pathologie. La diversité des protocoles de caractérisation mécanique est également étendue et, encore à ce jour, non standardisée.

Caractérisation structurale de l’os trabéculaire[modifier | modifier le code]

L’os trabéculaire est retrouvé en région métaphysaire et épiphysaire des os longs, ainsi qu’au niveau des corps vertébraux et de certains os plats. Il s’agit d’un matériau poreux, hétérogène et anisotrope, physiologiquement impliqué dans le transfert de charges depuis l’articulation jusqu’à l’os cortical compact des os longs.[1]

L’aspect structural de l’os trabéculaire varie selon les espèces, les sites et les conditions physiologiques ou pathologiques. De plus, le degré de minéralisation et l’organisation du réseau trabéculaire à l’échelle microscopique conditionnent la résistance de l’os trabéculaire.[2] Il a été montré par exemple que la résistance et le module d’élasticité de l’os trabéculaire pouvaient être approximés par sa densité apparente au carré.[3] De même, le module d’élasticité est fonction de la porosité. C’est pourquoi il semble indispensable de considérer l’aspect structural de l’échantillon osseux, lors de l’étude mécanique de l’os trabéculaire.

Densités et minéralisation[modifier | modifier le code]

A l’échelle macroscopique, l’os trabéculaire est une structure alvéolaire dont les cavités sont remplies par la moelle osseuse. In vitro, différentes mesures de densité peuvent ainsi être définies sur des échantillons d’os trabéculaire. Ces échantillons doivent être dégraissés au préalable, c’est-à-dire débarrassés de la moelle osseuse.

Divers paramètres peuvent être considérés :

  • la densité réelle, qui correspond à la densité du tissu trabéculaire. Elle est déterminée à partir du principe d’Archimède.
  • la densité apparente, correspondant au ratio entre la masse d’os déshydraté et le volume total de l’échantillon.
  • la densité relative: c’est le ratio entre la densité apparente et la densité réelle. Elle est liée à la porosité de l’échantillon et s’exprime souvent plutôt par le ratio BV/TV (cf. ci-dessous).

Le degré de minéralisation, c’est-à-dire le rapport de la masse de la phase minérale sur la masse d’os, peut être déterminé en mesurant la densité des cendres. Cette dernière nécessite une destruction de l’échantillon par calcination.

In vivo, la qualité de l’os trabéculaire est le plus souvent évaluée par des mesures de masse minérale osseuse (Bone Mineral Content ou BMC, en grammes), et de densité minérale osseuse (Bone Mineral Density ou BMD, en g/cm2). Ces mesures sont réalisées cliniquement par absorptiométrie (surtout en double énergie, ou Dual X-ray Absorptiometry, DXA) ou par tomodensitométrie.[2]

Microarchitecture de l’os trabéculaire[modifier | modifier le code]

La microarchitecture de l’os trabéculaire conditionne fortement ses propriétés mécaniques, et en particulier sa résistance à la déformation.[2][3] Cette microarchitecture peut être connue à partir d’analyses d’histomorphométrie, remplacées aujourd’hui par des techniques d’imagerie, comme l’Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) ou la microtomographie (micro-CT).

L’os trabéculaire est ainsi caractérisé par son volume osseux (Bone Volume, BV), son volume tissulaire (Tissue Volume, TV), et plus fréquemment par le ratio BV/TV qui représente la fraction volumique osseuse, ou densité relative. Elle conditionne de façon significative la résistance de l’os trabéculaire.[3] D’autres paramètres, comme le nombre de travées (Trabecular Number, TbN), leur épaisseur moyenne (Trabecular Thickness, TbTh), la distance moyenne les séparant (Trabecular Spacing, TbSp), la connectivité entre trabécules ou l’orientation du réseau trabéculaire, qui définit le degré d’anisotropie, permettent de décrire plus précisément l’architecture microscopique de l’os trabéculaire.[2]

Caractérisation mécanique de l’os trabéculaire[modifier | modifier le code]

La caractérisation mécanique de l’os trabéculaire passe par la réalisation de tests mécaniques qui évaluent sa réponse lorsqu’il est soumis à un effort. Au préalable, il est nécessaire de créer des échantillons en respectant certains principes.

Préparation des échantillons et conditions d’essai[modifier | modifier le code]

Les échantillons[modifier | modifier le code]

De nombreux facteurs sont à prendre en considération lors de la préparation des échantillons en vue de les tester d’un point de vue mécanique. En effet, plusieurs jours peuvent s’écouler entre le prélèvement d’une pièce anatomique, la réalisation de l’échantillon et la mise en oeuvre du test mécanique. Dès lors, il est important de choisir un mode de conservation de manière à ne pas impacter les propriétés biomécaniques. Ainsi, des échantillons préservés dans l’éthanol ou congelés à - 20°C pendant 100 jours gardent les mêmes propriétés élastiques. Ces propriétés ne sont également pas modifiées lors de cinq cycles de congélation-décongélation successifs, sous réserve d’assurer un degré d’hydratation physiologique de l’échantillon dans les phases de congélation et décongélation.[4]

La forme et la taille de l’échantillon sont également à prendre en compte. Dans la plupart des études, des échantillons cubiques ou cylindriques ont été testés. Seuls les premiers ont permis d’appréhender facilement la notion d’anisotropie. A cause de la porosité de l’os trabéculaire, des échantillons suffisamment grands doivent également être prélevés afin de s’assurer d’une bonne représentativité du tissu testé.[3] Pour des échantillons cylindriques, une taille supérieure à 5 mm de diamètre a été recommandée, avec un rapport hauteur/diamètre supérieur à 1.[5][6][7][8] Néanmoins, augmenter la taille des échantillons introduit des biais d’hétérogénéités spatiales.

Conditions d’essai[modifier | modifier le code]

Pour se rapprocher des conditions in vivo, il convient de tester l’échantillon hydraté et à température corporelle (37°C). En effet, il a été montré que la déshydratation entraînait non seulement une augmentation du module d’élasticité, mais aussi des modifications structurales (réduction du ratio BV/TV) influençant indirectement les propriétés mécaniques de l’os trabéculaire.[9] Quant à la température, une différence d’une dizaine de degrés influerait peu sur les propriétés mécaniques.[10] Par conséquent, il a été admis de réaliser les tests mécaniques à température ambiante.

L’os trabéculaire pouvant présenter une sensibilité aux vitesses de chargement mécaniques, réduite schématiquement à des propriétés dites « viscoélastiques », il a été recommandé de réaliser un pré-cyclage de conditionnement avant de commencer les mises en charge propres aux tests. Ce pré-cyclage permet de caler la ligne de charge et à l’échantillon d’atteindre un état « stable », permettant d’améliorer la reproductibilité et la fiabilité des tests.[1]

Lors de la réalisation des tests, et en particulier pour les tests statiques en compression, certains artéfacts ont été rapportés. La création d’un échantillon d’os trabéculaire engendre une perte de connectivité du réseau trabéculaire sur les bords de l’échantillon. Les trabécules périphériques sont par conséquent plus déformables qu’in situ, ce qui engendre une sous-estimation du module d’élasticité. Ceci a été défini comme des artefacts de bords.[6][11][12][13]

La compression engendre également une friction entre l’échantillon et le plateau de compression, qui majore les effets de bord : le module d’élasticité s’en trouve encore plus sous-estimé. [6][11][12] Certains auteurs ont donc préconisé de fixer les échantillons et de mesurer directement la déformation au contact du milieu de l’échantillon à l’aide d’un extensomètre. De cette façon, il était possible de s’affranchir des effets de friction et de mesurer la déformation loin des zones de fixation de l’échantillon.[13] Enfin, il a été montré que la direction de la force compressive par rapport à la direction principale des trabécules influait sur la valeur du module de Young, ce qui illustre notamment les propriétés anisotropes de l’os trabéculaire.[14]

Tests utilisés[modifier | modifier le code]

De par ses propriétés viscoélastiques, la résistance de l’os trabéculaire dépend entre autre de la vitesse de déformation à laquelle il est soumis.[15] Il convient donc de distinguer des tests quasi-statiques, pour lesquels la vitesse de déformation est inférieure à 0,1/s, des testdynamiques, caractérisés par une vitesse de déformation supérieure à 100/s.

Tests quasi-statiques[modifier | modifier le code]

Plusieurs types de tests quasi-statiques ont été utilisés pour connaître les propriétés mécaniques de l’os trabéculaire in vitro. Traditionnellement, des tests en compression, et plus rarement en traction, ont été réalisés. Une caractérisation mécanique par ultrasons ou par indentation a également été effectuée de façon un peu moins courante.[16][17][18]

En marge des études mécaniques concernant l’os trabéculaire, certains auteurs se sont intéressés à la caractérisation mécanique du tissu trabéculaire, c’est-à-dire à l’échelle de la trabécule. A cette échelle, les principales méthodes d’études ont été la nanoindentation, des tests en traction, et en flexion trois ou quatre points ou de type flexion encastrée.[3][19]

Ces tests quasi-statiques réalisés sur des échantillons de géométrie connue, ont permis d’obtenir une courbe contrainte-déformation caractéristique du tissu osseux. Traditionnellement, ces courbes permettent de distinguer un domaine de déformation élastique (portion linéaire), et un domaine de déformation plastique avant rupture de l’échantillon. La pente de la portion linéaire correspond au module de Young apparent (ou module d’élasticité apparente), noté Eapp. C’est le paramètre le plus couramment utilisé pour caractériser les propriétés mécaniques de l’os.[20] Il est dit « apparent » car il s’agit d’une valeur macroscopique pour un tissu qui a plusieurs composants. Il permet d’évaluer la rigidité d’un matériau. En déterminant la limite entre la phase élastique et la phase plastique, il est possible de déduire la déformation et la contrainte associées à la limite élastique (εyield et σyield respectivement). Les tests destructifs permettent également de connaître la déformation et la contrainte ultime lors de la rupture (εu et σu respectivement).

Lors d’un test non-destructif le seul domaine élastique est généralement exploré ce qui ne permet donc d’obtenir que le module d’élasticité de l’échantillon. Le test non-destructif présente cependant l’avantage de pouvoir être répété pour pouvoir tester la reproductibilité des résultats. En outre, ces tests non destructifs ont permis d’évaluer l’anisotropie de l’os trabéculaire, en appliquant une compression uniaxiale dans les trois directions de l’espace. [8]

Dans le cas particulier d’un échantillon d’os trabéculaire soumis à un test destructif en compression, la courbe contrainte-déformation a un aspect caractéristique qu’il convient de relier à l’organisation microarchitecturale de l’os trabéculaire, et à son mode de rupture séquentiel. Trois phases sont identifiables sur cette courbe.[21] La première phase correspond au test du tissu trabéculaire, avec un domaine élastique et un domaine plastique. S’ensuit l’effondrement de certaines trabécules, et donc une déformation sans augmentation de la contrainte (phase 2). Enfin, consécutivement à l’effondrement des trabécules (phase 3), l’os trabéculaire est assimilé à un tissu plus dense, et aurait ainsi un module plus élevé.

Tests dynamiques[modifier | modifier le code]

Compression dynamique[modifier | modifier le code]

La caractérisation mécanique de l’os trabéculaire par le biais de tests dynamiques a été relativement peu effectuée. Une technique de compression dynamique a utilisé le système des barres de Hopkinson modifié, de façon à pouvoir tester un matériau compliant.[15][22] La vitesse de déformation influence la résistance de l’os trabéculaire, puisque celle-ci augmente d’un facteur 2 à 3 pour une vitesse allant de 10-3/s à 500/s d'après une étude.[22] Il s’agit ici de réponse mécanique à haute vitesse.

Analyse modale[modifier | modifier le code]

L’analyse modale expérimentale est une technique de mesure non-destructive, tout particulièrement utilisée dans l’ingénierie, pour évaluer les propriétés dynamiques des structures. Le phénomène de résonance (d’amplitude ou de phase) est défini par une fréquence appelée fréquence propre, un mode propre et un facteur d’amortissement. L’ensemble dépend de la géométrie de la structure, des conditions aux limites et des matériaux constitutifs.

Les paramètres modaux, dont les principaux sont les pulsations et modes propres, ainsi que les facteurs d’amortissement, sont obtenus en soumettant les échantillons à une excitation contrôlée. L’input F(t) (force) est mesurée simultanément avec la réponse X(t) (déplacement, vitesse ou accélération). En utilisant une transformée de Fourier (FFT), les données sont obtenues dans le domaine des fréquences, représentées par une Fonction de Réponse en Fréquence (FRF) H(w). La FRF est définie par le rapport de la réponse de la structure à la force d’excitation.

La FRF permet d’identifier les fréquences propres, puisque la réponse vibratoire est amplifiée lors de la résonance. A ces fréquences, les forces d’inertie (masse de la structure), sont en équilibre avec les forces élastiques (raideur de la structure). Les fréquences de résonance sont donc directement en lien avec les caractéristiques géométriques et mécaniques de la structure excitée.

L’analyse modale trouve des applications en ingénierie et dans la caractérisation de matériaux anisotropes.[23][24] Et son utilisation a été déclinée à des applications cliniques. En

effet, elle a été utilisée pour quantifier les constantes élastiques orthotropiques des os longs

comme le fémur [25], pour valider des relations densité-élasticité dans des modèles par éléments finis.[26] Elle a également été utilisée pour caractériser la fixation implant - os.[27]

De plus, il a été montré que les fréquences propres des os longs comme le tibia ou le fémur

étaient en lien avec leurs propriétés mécaniques, notamment leur raideur et leur résistance. [28][29][30][31]

L’excitation de l’os peut se faire par le biais d’un marteau d’impact[25][28][29][31] ou d’un pot vibrant.[27][32] Les deux systèmes d’excitation présentent des inconvénients ; la force d’impact est difficile à contrôler avec un marteau, et l’utilisation d’un pot vibrant nécessite de fixer l’échantillon. Dans le cas de l’utilisation d’un pot vibrant, il convient alors de porter

attention à ce que la dynamique du système de fixation n’interfère pas avec celle de

l’échantillon.

Le comportement vibratoire a été étudié par les biais d’accéléromètres piézoélectriques [25][28][29], d’un microphone [30], de capteurs de mouvements[27] ou par vibrométrie laser. [32]

A l’heure actuelle, il n’existe aucune étude portant sur l’analyse du comportement vibratoire d’un échantillon d’os trabéculaire pour en déduire ses propriétés mécaniques. Pourtant, cette technique présente plusieurs avantages. Elle permet en effet de mesurer la réponse de l’intégralité de l’échantillon testé, alors que pour les tests en compression, la mesure de la déformation globale engendre une sous-estimation du module d’élasticité de par les effets de bords et les frottements avec les plateaux de compression. Les conditions limites sont également mieux maîtrisées. La seule contrainte étant l’encastrement lié à la fixation du système, dans le cas où l’excitation se fait par un pot vibrant. En outre, aucune contrainte de taille de l’échantillon n’est imposée. Enfin, comme explicitée ci-dessus, l’analyse modale est une méthode non destructive.

Caractérisation par couplage imagerie – modèles numériques[modifier | modifier le code]

Grâce à l’avancée des technologies d’imagerie comme le micro-CT ou la microimagerie par résonnance magnétique, il est aujourd’hui possible de décrire la microstructure en trois dimensions de l’os trabéculaire. L’image microscopique de haute résolution obtenue peut être convertie par le biais de calculs informatiques en un modèle par éléments finis à large échelle, dans lequel il est possible d’incorporer les complexités structurales intrinsèques de l’os trabéculaire.

Les modèles ainsi créés permettent de prédire le comportement mécanique de l’os trabéculaire sans passer par des méthodes expérimentales de caractérisation mécanique. Celles-ci sont toutefois nécessaires afin de valider le modèle initialement. L’analyse modale a par exemple été utilisée comme méthode expérimentale de validation d’un modèle par éléments finis[25], de même que des tests biomécaniques classiques en torsion ou en flexion.[33]

Conclusion[modifier | modifier le code]

La caractérisation mécanique de l’os trabéculaire est particulière et difficile. A ce jour, cette caractérisation a principalement été réalisée par le biais de tests mécaniques en compression, qui, comme explicité ci-dessus, présentent un certain nombre de limites pouvant entraîner des biais dans les mesures de modules d’élasticité.

L’analyse modale est une autre technique permettant d’obtenir les propriétés mécaniques, mais elle n’a été utilisée que sur des os entiers. Pourtant, cette méthode semble particulièrement adaptée à l’étude d’échantillons d’os trabéculaire, notamment de par sa nature non-destructrice, mais aussi en lien avec les conditions limites qui sont plus facilement maitrisables.

L’organisation micro-architecturale du tissu spongieux et notamment la porosité, peut jouer un rôle dans la réponse mécanique effective, prise à une échelle supérieure.

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