Soutenance mémoire
Anatomie fonctionnelle du grasset bovin
Les bases anatomiques descriptives ayant été posées, l’anatomie fonctionnelle peut maintenant être détaillée. La stabilisation du grasset étant un point d’intérêt principal dans ce projet, celles-ci sont les aspects le plus abordés de cette section. Les articulations du grasset, conjointement à celles du reste des membres pelviens, permettent aux bovins de marcher, franchir des obstacles, se lever et se coucher. La géométrie des os du grasset et les ménisques permet de guider le mouvement, les muscles permettent de le contrôler, les ménisques amortissent les chocs soumis au grasset et une combinaison des ligaments stabilisateurs, de certains tendons et de la géométrie des os permet de le stabiliser. Ces articulations permettent globalement au grasset d’effectuer des mouvements de flexion et d’extension. L’angle de flexion du grasset est déterminé par la mesure de l’angle entre les axes anatomiques du fémur et du tibia. Deux types de mouvements de flexion peuvent être définis : la flexion active, mouvement que le sujet effectue de lui-même, et la flexion passive, mouvement imposé au sujet par des forces extérieures, in ou ex vivo. Dans un mouvement normal de marche, l’angle de flexion active du grasset varie de 128 à 170 degrés (°). Ceci correspond à une course de 42° (Herlin & Drevemo, 1997). Les angles de flexion passive minimale et maximale du grasset bovin adultes sont relevés être de 35° et 145° par Proffen et al. (2012), soit une course de 110°. Chez le veau, la course de flexion passive est de 100° (Sengoz Sirin, Çelik, Özmen, & Avki, 2014).
La géométrie du grasset implique que d’autres mouvements de faibles amplitudes puissent également avoir lieu, d’où les enjeux de stabilisation. Les translations selon l’axe crânio-caudal sont principalement limitées par les ligaments croisés (CaCL et CrCL). Ces ligaments permettent également de limiter les rotations internes du grasset chez les bovins comme les humains. Les ligaments collatéraux (MCL et LCL), quant à eux, limitent principalement les mouvements impliqués par une déviation médiale ou latérale de l’extrémité distale du tibia (Ducharme, 1996; Woo, Livesay, & Smith, 1994). L’EDL contribue à la limitation de ces mouvements, conjointement aux MCL et LCL (Ducharme, 1996). La quantification des participations individuelles de chaque élément anatomique du genou humain à sa stabilité est bien connue, ainsi que les plages de tous ses déplacements globaux et internes (Woo, Livesay, et al., 1994). Ceci permet de mener de fines études de stabilité, mais, malheureusement, ces données ne semblent pas être disponibles chez les bovins. Afin de faciliter les mouvements articulaires décrits, la membrane synoviale de la capsule articulaire produit un fluide, nommé liquide synovial, jouant le rôle de lubrifiant. Les tissus intra-articulaires et intra-synoviaux étant peu ou pas irrigués par des vaisseaux sanguins, la membrane et le liquide synovial jouent aussi le rôle de vecteurs moléculaires par le cartilage, ce qui est normalement réservé aux capillaires sanguins (Hung & Evans, 1994).
Structure des ligaments croisés crâniaux
Les ligaments croisés, qu’ils soient au sein du genou humain ou du grasset de quadrupèdes quelconques, présentent tous une structure similaire. Chez les bovins, le CrCL est reporté être d’une longueur de 42,7 ± 0,6 mm et d’une largeur de 9,3 ± 2,1 mm (Proffen et al., 2012). Son aire transversale moyenne à mi-longueur, considérée comme elliptique, est estimée être de 98,2 ± 15,7 mm2 en extension (Moss & Ferguson, 1980). Les ligaments croisés sont chacun un ruban de faisceaux non parallèles de collagènes, enrobés de l’épitendon, un tissu graisseux permettant aux faisceaux de glisser les uns sur les autres (Yahia, Hagemeister, Drouin, Sati, & Rivard, 1994). Étant recouverts par la membrane synoviale, ils sont donc des ligaments intra-articulaires, mais extra-synoviaux (Zantop, Petersen, & Fu, 2005). Ils unissent le fémur et le tibia en s’étalant en un large éventail sur chacun d’entre eux, tel qu’il était montré en Figure 1.2. Ces éventails sont considérés comme apportant une résistance à l’arrachement en torsion des ligaments croisés (Yahia et al., 1994). La longueur des ligaments croisés est principalement constituée de collagène de type I, tandis que leurs parties connectives, en éventails, sont majoritairement constituées de collagène de type III (Zantop et al., 2005). Les fibres de collagènes sont composées de plusieurs sous-structures, telles que montrées en Figure 1.3. Chaque faisceau du ligament croisé est constitué de fibres, mesurant de 1 à 20 μm de diamètre chez l’humain, arrangées en unités sub-fasciculaires. Ces fibres sont elles-mêmes composées d’un arrangement de fibrilles mesurant 150 à 200 nm de diamètre chez l’humain (Nogalski & Bach, 1994). Ces fibrilles sont composées de fibroblastes, orientés selon l’axe de déformation du ligament, et de collagène I (Zantop et al., 2005). Aux insertions, les éventails peuvent être divisés en 4 zones successives de compositions différentes. Du centre du ligament vers son insertion, celui-ci présente une première zone composée de collagène I, une seconde zone composée de de collagène I et de fibrocartilage entremêlés, une troisième zone de fibrocartilage minéralisé et, enfin, une dernière zone qui est l’os (Nogalski & Bach, 1994). La présence de vaisseaux sanguins, ainsi que fibres névralgiques peut également être notée aux insertions ligamentaires (Nogalski & Bach, 1994; Yang & Temenoff, 2009; Zantop et al., 2005).
Propriétés mécaniques des ligaments croisés crâniaux
Tel qu’il l’a été décrit au sein de la section 1.1.3, les faisceaux composant le CrCL travaillent chacun en tension. Le CrCL, dans son ensemble, travaille majoritairement en tension, avec une partie de torsion. Les CrCL bovins et porcins comportent 4 groupes de faisceaux aux fonctions définies, tel que précédemment montré à la Figure 1.4. Ce sont ces zones distinctes qui lui permettent de travailler efficacement à la fois en tension et en torsion (Fuss, 1991; Yahia et al., 1994). Le CrCL, ainsi que les autres ligaments, a un comportement viscoélastique. Ceci signifie que leur comportement est modélisé conjointement par un solide élastique, que l’on peut assimiler à un ressort, et un liquide visqueux, que l’on peut assimiler à un amortisseur. Des travaux de modélisation de ce comportement viscoélastique ont été menés par Pioletti, Rakotomanana, Lauper, et Leyvraz (1992) en prenant des CrCL de veaux comme base de validation de modèle. Cependant, afin de pouvoir exploiter ce modèle, différents paramètres mécaniques propres aux spécimens étudiés et à l’essai mené doivent être connus. Lors d’essais de traction sur des ligaments, que ce soit un ligament isolé ou son complexe os-ligament-os, ils présentent un comportement typique. Dans les plans contrainte-déformation ou force-déplacement, la courbe de traction présente une zone aplatie en début de tension, appelée toe-region, qui mène à une zone linéaire.
À l’approche de la rupture, une flexion de la courbe de traction peut parfois être observée. La rupture est habituellement considérée comme étant atteinte lorsque la force ultime (UTL), ou contrainte ultime (UTS), de tension est atteinte (Jung, Fisher, & Woo, 2009). La déformation maximale du spécimen (Elmax) correspond au niveau de déformation relevé à l’UTL. Passé le point de rupture, la courbe de traction suit un trajet de chute aléatoire menant à une force ou une contrainte nulle (Voir Figure 1.5). Il est à noter que les essais de tractions considèrent toujours les CrCL comme un solide homogène, en calculant ses déformations en fonction de repères placés à ses insertions osseuses. Cependant, il a été précédemment démontré qu’un CrCL est composé de faisceaux glissants les uns sur les autres, sous une membrane synoviale. Ces faisceaux sont même regroupés en zones fonctionnelles distinctes. Une étude de Hirokawa, Yamamoto, et Kawada (2001) renseigne ceci en s’intéressant à l’analyse de champs de déformation à la surface des CrCL par polariscopie. Bose et al. (2002) ont tenté de faire de même par corrélation digitale d’images 3D sur un tendon. Ces deux méthodes nécessitent cependant encore d’être perfectionnées pour pouvoir être pleinement exploitées.
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DES CONNAISSANCES
1.1 Anatomie du grasset bovin
1.1.1 Système de référence anatomique des quadrupèdes
1.1.2 Anatomie descriptive du grasset bovin
1.1.2.1 Les os principaux
1.1.2.2 Les muscles principaux
1.1.2.3 Les ligaments stabilisateurs
1.1.2.4 Les ménisques
1.1.2.5 La capsule articulaire
1.1.3 Anatomie fonctionnelle du grasset bovin
1.2 Les ligaments croisés crâniaux chez les bovins adultes
1.2.1 Structure des ligaments croisés crâniaux
1.2.2 Propriétés mécaniques des ligaments croisés crâniaux
1.2.2.1 Taux de déformation lors d’essais de traction
1.2.2.2 Influence de l’historique de sollicitations
1.2.2.3 Influence de l’orientation du ligament lors d’essais en laboratoire
1.2.2.4 Influence de la température ambiante
1.2.2.5 Influence du sexe du sujet
1.2.2.6 Influence de l’âge du sujet
1.2.2.7 Influence du niveau d’hydratation du ligament
1.2.2.8 Influence du mode de conservation de spécimens cadavériques
1.2.2.9 Propriétés mécaniques connues des CrCL de bovins adultes
1.2.3 Épidémiologie de la rupture du CrCL
1.2.4 Évaluation et diagnostic de la rupture du CrCL
1.2.5 Conséquences de la rupture du CrCL
1.2.6 Traitements de la rupture du CrCL
1.3 Substituts synthétiques au CrCL actuellement employés
1.4 Alliages superélastiques
1.4.1 Principes thermomécaniques
1.4.1.1 Phases et nuances d’alliage
1.4.1.2 Températures de transformation à contrainte fixe
1.4.1.3 Contraintes de transformation à température fixe
1.4.1.4 Variation conjointe de la température et de la contrainte
1.4.1.5 Traitements thermiques
1.4.2 Biocompatibilité mécanique
1.4.3 Biocompatibilité chimique
CHAPITRE 2 PROBLÉMATIQUE ET OBJECTIFS
2.1 Problématique
2.2 Objectif et sous-objectifs
CHAPITRE 3 QUASI-STATIC TENSILE PROPERTIES OF THE CRANIAL CRUCIATE LIGAMENT (CrCL) IN ADULT CATTLE: TOWARDS THE DESIGN OF A PROSTHETIC CrCL
3.1 Introduction
3.2 Materials and Methods
3.2.1 Specimen preparation
3.2.2 Tensile testing 7
3.2.3 Data acquisition
3.2.4 Data analysis
3.3 Results
3.3.1 General outcomes
3.3.2 Global results
3.3.3 Local results
3.4 Discussion
3.4.1 Average load-elongation diagram
3.4.2 Specimen preparation
3.4.3 Tensile testing methodology
3.4.4 General outcomes
3.4.5 Statistics
3.4.6 3D Digital image correlation analysis
3.5 Conclusion
CHAPITRE 4 CONCEPTION PRÉLIMINAIRE D’UN CÂBLE EN NiTiNOL RÉPLIQUANT LES PROPRIÉTÉES MÉCANIQUES DU LIGAMENT CROISÉ CRÂNIAL CHEZ LE BOVIN ADULTE
4.1 Cahier des charges
4.2 Spécifications géométriques du substitut
4.2.1 Dimensions
4.2.2 Paramètres de tressage
4.3 Comportement mécanique des filaments de NiTiNOL
4.3.1 Sélection du filament
4.3.2 Sélection du traitement thermique
4.3.3 Caractérisation mécanique
4.3.3.1 Matériel
4.3.3.2 Méthodes
4.3.3.3 Analyse des données
4.3.3.4 Résultats
4.4 Détermination des paramètres géométriques du câble tressé
4.4.1 Modèle mathématique
4.4.2 Plans expérimentaux
4.4.2.1 Facteurs et modalités du plan complet 23
4.4.2.2 Réponse du plan complet 23
4.4.2.3 Validité du plan complet 23
4.4.2.4 Résultats du plan complet 23
4.4.2.5 Facteurs, modalités et réponse du plan composite centré
4.4.2.6 Validité du plan composite centré
4.4.2.7 Résultats du plan composite centré
4.4.3 Paramètres de conception choisis
4.5 Fabrication d’un prototype
4.6 Évaluation du prototype
4.6.1 Caractérisation mécanique des substituts
4.6.1.1 Essais de traction
4.6.1.2 Acquisition des données
4.6.1.3 Analyse des données
4.6.1.4 Résultats
4.6.2 Évaluation qualitative des substituts
CHAPITRE 5 DISCUSSION
5.1 Discussion générale
5.2 Caractérisation des propriétés mécaniques du CrCL bovin
5.3 Conception du câble superélastique
CONCLUSION
RECOMMANDATIONS
LISTE DE RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES
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