Soutenance de thèse de Marie SEMAAN

Au cours des 30 dernières années, de nombreuses études ont été menées sur du tissu osseux couvrant les domaines cliniques, biologiques et mécaniques. De nos jours, la biomécanique et plus particulièrement la caractérisation de l’os représente un défi pour différents domaines: accidentologie, progression des prothèses, gestion des maladies des os et confort des personnes âgées, etc. L’objectif de cette thèse vise à fournir des valeurs de référence représentatives de la qualité de l'os des enfants en améliorant la connaissance des propriétés mécaniques et structurelles de la croissance de l'os cortical. Comprendre la qualité de l'os permettra de développer des modèles dédiés pour mieux comprendre certains mécanismes pathologiques caractéristiques de l'os en croissance (fractures en bois vert, ostéopénie), pour améliorer les procédures de diagnostic des orthopédistes et ainsi adapter les choix thérapeutiques: médicaments, prothèses, chirurgie orthopédique et rééducation. Tout d'abord, le chapitre 1 donne un aperçu de l'anatomie osseuse, de la structure des os longs, de la caractérisation structurelle et mécanique et des propriétés osseuses des enfants. Le chapitre 2 analyse l'anisotropie élastique de l’os cortical des enfants non pathologiques, qui peut être un paramètre clé dans l'évaluation de la qualité de l'os. Il illustre l'évaluation des coefficients de rigidité osseuse à partir des résonances mécaniques d'échantillons osseux pour la première fois dans la littérature utilisant la spectroscopie par ultrasons résonants (RUS) à mésoéchelle. Malgré un petit nombre d'échantillons, les résultats sont cohérents avec l'hypothèse orthotrope des spécimens d’os cortical des enfants non pathologiques. Mais les résultats montrent également une tendance à l'isotropie transversale pour ce type de matériau, ce qui devrait être confirmé par une analyse statistique représentative. Dans chapitre 3, nous avons changé d'échelle par rapport au chapitre 2 et nous avons travaillé à l'échelle microscopique. Ce chapitre fournit les valeurs de module d'élasticité des échantillons d’os cortical des enfants non pathologiques dans deux directions (longitudinale et radiale) et de deux composants structuraux différents du tissu osseux (ostéon et lamelles interstitielles). C’est la première étude de microindentation à l'échelle microscopique appliquée sur l’os enfant sain, frais et suivant deux axes. Les échantillons de péroné enfants présentent un module d’élasticité plus élevé pour les lamelles interstitielles 15,8 (1,5) que pour les ostéons 13,5 (1,6), avec 10,2 (1) GPa dans le sens transversal. Nous n'avons pas été en mesure d'étudier plus en avant le degré d'anisotropie en raison du faible nombre de spécimens et, surtout, du fait que les ostéons et les lamelles interstitielles ne peuvent pas être distingués dans le sens transversal dans notre protocole d'indentation. Enfin, le chapitre 4 propose de mieux comprendre le processus de croissance osseuse grâce à un ensemble de paramètres morphologiques évalués à partir d’images de tomodensitométrie. À notre connaissance, ce travail est le premier à présenter des images de péronés d'enfants non pathologiques à l'échelle microscopique. L'ajout d'un filtre Frangi aux images micro-CT (3D) rend l'estimation de la porosité plus fiable. En ce qui concerne les propriétés mécaniques, les modules élastiques de l'ostéon dans le sens longitudinal à l'échelle micro est corrélé aux paramètres de l’échelle méso. De plus, les modules élastiques dans les directions transversales pour les échelles méso et micro sont également corrélés. Enfin, tous ces travaux ont permis de développer une base de données des propriétés mécaniques de la mésostructure et de la microstructure d'os cortical d'enfants non pathologiques. De plus, une imagerie haute résolution de la microstructure osseuse en fonction de l'âge a été définie.

Over the last 30 years, lot of studies was done on bone tissue covering the clinical, biological and mechanical domains. Nowadays, the biomechanics and more particularly the characterization of the bone represent a challenge for different areas: accidentology, the progression of prostheses, managing bone diseases and the comfort of the elderly etc. The objective of this thesis was intended to provide reference values representative of the children bone quality by improving the knowledge of mechanical and structural properties of growing cortical bone. Understanding the bone quality will develop dedicated models to better understand certain pathological mechanisms characteristic of the growing bone (greenstick fracture), to improve diagnostic procedures of the orthopedists and thus adapt the therapeutic choices: drugs, prostheses, orthopedic surgery, and rehabilitation. First of all, chapter 1 provides an overview of bone anatomy, long bones structures, structural and mechanical characterizations and children bone properties. Chapter 2 analyses the elastic anisotropy of non-pathological children cortical bone (NPCCB) which can be a key parameter in the bone quality appraisal. It illustrates the assessment of bone stiffness coefficients from the mechanical resonances of bone specimens for the first time in literature using resonant ultrasound spectroscopy (RUS) at mesoscale. Despite a small number of samples and statistical values, results are consistent with the orthotropic hypothesis for NPCCB specimens. But the results also show a trend towards transverse isotropy for this kind of material, which should be confirmed using a representative statistical analysis. In Chapter 3, we changed scale with respect to the chapter 2 and we worked on the microscale level. This chapter provides elastic moduli values for NPCCB specimens in two perpendicular directions (longitudinal and radial) and for two different structural components of bone tissue (osteon and interstitial lamellae). This is the first microindentation study at microscale applied to non-pathological and fresh child bone specimens and following two axes. Child fibula specimens show a higher elastic modulus for interstitial lamellae 15.8 (1.5) than for osteons 13.5 (1.6), with 10.2(1) GPa in the transverse direction. We were unable to further investigate the degree of anisotropy due to the low number of specimens and, above all, because osteons and interstitial lamellae cannot be distinguished in the transverse direction in our indentation protocol. Finally, chapter 4 proposes to gain insight into the process of bone growth through a set of morphological parameters assessed from micro-CT images. To our knowledge, this work is the first to present images of complete non-pathological children’s bone (fibulae) at microscale level. Adding a Frangi filter to 3D micro-CT images makes the porosity estimation more reliable. As far as the mechanical properties are concerned, the elastic modulus of osteon in the longitudinal direction at the microscale is correlated with the parameters of the mesoscale. In addition, the elastic moduli in the transverse directions for the meso and micro scales are also correlated. Finally, all this work has made it possible to develop a database of mechanical properties of the mesostructure and microstructure of non-pathological children cortical bone. In addition, high resolution imagery of the bone microstructure according to the age was defined.