Étude expérimentale et numérique de l’évolution des propriétés mécaniques du tissu osseux en contexte statique et dynamique.

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Le Laboratoire de Biomécanique Appliquée est une Unité Mixte de Recherche Université Gustave Eiffel/Aix-Marseille Université composée de 80 collaborateurs.

Implanté au cœur de la Faculté des Sciences Médicales et Paramédicales, sur le Campus Hospitalo-Universitaire Nord, le Laboratoire de Biomécanique Appliquée se distingue par une approche pluridisciplinaire et transversale qui réunit ingénieurs et médecins.

La ligne de recherche qui fédère le Laboratoire est centrée sur l’Homme Virtuel, à la fois pour comprendre les traumatismes, les prévenir et les réparer, et pour mieux soigner le corps humain. Elle mobilise des approches pluridisciplinaires entre sciences de la vie et sciences pour l’ingénieur avec des expertises fortes en biomécanique, physiologie, anatomie, imagerie, mécanique, et informatique.

Cette stratégie scientifique se décline en deux axes de recherche appliquée complémentaires :

• Biomécanique du traumatisme qui renvoie aux enjeux de compréhension des traumatismes, de prévention, de prise en charge et de réparation d’une lésion,
• Biomécanique et thérapeutique qui est utile pour concevoir des dispositifs médicaux innovants, pour planifier, pour quantifier l’évolution de certaines pathologies et enfin contribuer à former aux techniques chirurgicales.

Description

Contexte

Les fractures osseuses constituent l’une des lésions les plus fréquentes en traumatologie, survenant aussi bien lors d’accidents de transport que dans les milieux professionnels et sportifs. Le vieillissement de la population et l’augmentation de la prévalence de l’ostéoporose accentuent encore ce problème, en particulier chez les personnes âgées, où le risque de fracture du col du fémur est élevé. En France, ces fractures concernent environ 50 000 patients chaque année et représentent un enjeu majeur de santé publique, tant par leurs conséquences sur la qualité de vie que par leur coût économique, estimé à 800 millions d’euros par an. Dans ce contexte, mieux comprendre les mécanismes d’apparition et d’évolution des fractures est essentiel afin d’améliorer la prévention, d’optimiser la prise en charge médicale et de limiter les impacts à long terme.

Sujet

L’os est un matériau naturellement hétérogène, dont les propriétés mécaniques dépendent de sa structure interne, de sa densité et de son organisation. Cette hétérogénéité influence directement sa rigidité, sa résistance et sa capacité à freiner ou propager une fracture. Par ailleurs, les fractures surviennent fréquemment lors de sollicitations dynamiques, telles qu’une chute ou un choc, pour lesquelles la vitesse de chargement joue un rôle déterminant [4-9]. L’étude du comportement mécanique de l’os en conditions dynamiques s’avère donc indispensable pour mieux appréhender ces situations réalistes.

Le travail proposé vise à déterminer les propriétés mécaniques du tissu osseux cortical à partir d’essais dynamiques. Le protocole expérimental repose sur des essais de propagation de fissure réalisés sur des segments diaphysaires de fémurs humains préentaillés, soumis à une flexion en trois points. En s’appuyant sur ce protocole et sur une méthodologie de détermination inverse développée antérieurement, deux objectifs principaux sont poursuivis : identifier la vitesse maximale de sollicitation compatible avec le protocole expérimental actuel et proposer des adaptations permettant d’effectuer des essais à des vitesses supérieures à ce seuil critique.

Encadrement

Ce travail s’inscrit dans le cadre d’un partenariat entre l’Institut des Sciences du Mouvement (ISM) et le Laboratoire de Biomécanique Appliquée (LBA). Les essais expérimentaux seront réalisés au LBA, tandis que le stage sera scientifiquement encadré conjointement par les deux structures, toutes deux situées à Marseille.

Déroulement

Dans un premier temps, une revue de la littérature sera menée afin de faire le point sur les connaissances existantes concernant le comportement dynamique du tissu osseux cortical, notamment en matière de mécanismes de fissuration, de propriétés élastiques et de rupture. Puis, une campagne d’essais sera réalisée à différentes vitesses de sollicitation sur la base d’un protocole déjà établi. Les propriétés mécaniques, telles que les modules d’élasticité et les énergies de fissuration, seront estimées par analyse inverse et comparées aux valeurs obtenues en conditions quasi-statiques. Enfin, les résultats permettront d’identifier les limites du protocole existant et de tester des solutions techniques visant à étendre son domaine d’utilisation en dynamique.

Références

[1] Théophile Kurtz. “Cracking processes in cortical bone tissue: experimental and numerical strategy for a probabilistic modeling”. PhD thesis. Mar. 19, 2024.

[2] J.-L. Tailhan et al. “Macrocrack propagation in a notched shaft segment of human long bone: Experimental results and mechanical aspects”. In: Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials 128 (Apr. 1, 2022), p. 105132. ISSN: 1751-6161. DOI: 10.1016/j.jmbbm.2022.105132.

[3] Théophile Kurtz et al. “Method for Evaluating Cortical Bone Young’s Modulus: Numerical Twin Reconstruction, FE Calculation, and Microstructure Analysis”. In: Journal of Biomechanical Engineering (Aug. 5, 2023), pp. 1–30.

[4] J. C. Behiri and W. Bonfield. “Fracture mechanics of bone - The effects of density, specimen thickness and crack velocity on longitudinal fracture”. In: Journal of Biomechanics 17.1 (Jan. 1, 1984), pp. 25–34. ISSN: 0021-9290. DOI: 10.1016/0021-9290(84)90076-9.

[5] R. O. Ritchie et al. “A fracture mechanics and mechanistic approach to the failure of cortical bone”. In: Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures 28.4 (2005), pp. 345–371.

[6] Xuedong Zhai et al. “Real-time visualization of dynamic fractures in porcine bones and the loading-rate effect on their fracture toughness”. In: Journal of the Mechanics and Physics of Solids 131 (Oct. 1, 2019), pp. 358– 371. ISSN: 0022-5096. DOI: 10.1016/j.jmps.2019.07.010.

[7] Michael J. Katzenberger et al. “Effects of sex, age, and two loading rates on the tensile material properties of human rib cortical bone”. In: Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials 102 (Feb. 1, 2020), p. 103410.

[8] Peter Zioupos, Ulrich Hansen, and John D. Currey. “Microcracking damage and the fracture process in relation to strain rate in human cortical bone tensile failure”. In: Journal of Biomechanics 41.14 (Oct. 20, 2008), pp. 2932–2939. ISSN: 0021-9290. DOI: 10.1016/j.jbiomech.2008.07.025.

[9] M. Fois et al. “Study of human cortical bone and demineralized human cortical bone viscoelasticity”. In: Journal of Applied Polymer Science 79.14 (2001), pp. 2527–2533.

Profil

Le travail proposé requiert de la rigueur, de l’autonomie et un intérêt marqué pour l’expérimentation et les outils numériques.
Des compétences en essais mécaniques, en modélisation numérique et en méthode des éléments finis seront grandement appréciées.

Des profils de type mécanique des matériaux, de biomécanique ou d’ingénierie des matériaux seront appréciés.

Prise de fonction

Dès que possible