Le projet est axé sur le développement d'outils technologiques de haut niveau combinant des approches biologiques, biomécaniques et d'imagerie des tissus au cours du processus de vieillissement.
Vieillissement des tissus minéralisés
Leader Work package : T. Hoc
Contacts locaux : H. Follet, M.H. Lafage-Proust, P. Jurdic
Contacts cliniques : C. Alexandre, B. Moyen, R. Chapurlat, E. Viguier
Contexte et objectifs
Dans les dix dernières années, l'imagerie micro tomographique (6 à 20 µm) ex vivo et in vivo de l'os a montré que les paramètres de géométrie et de microarchitecture sont d'une importance primordiale pour qualifier leurs propriétés. Si des études expérimentales et cliniques montrent que le vieillissement joue un rôle majeur dans la résistance osseuse, les traitements actuels, impliqués dans l'ostéoporose, peuvent changer non seulement la microarchitecture osseuse, mais aussi modifier la qualité osseuse. Pour obtenir une meilleure compréhension de cette qualité osseuse, qui intègre les capacités de remodelage, de résistance à la fatigue et à la micro-réparation, une approche tri dimensionnelle de l'imagerie des tissus et de la réponse mécanique à l'échelle sub-micronique est nécessaire. Tel est le défi des années à venir.
Jusqu'à maintenant, seule l'analyse du synchrotron en microtomographie et les techniques de nanoindentation avaient la capacité d'atteindre ce niveau de résolution. Aujourd'hui, les nanotomographes de laboratoire commencent à être utilisés. Leurs potentialités incluent l'exploration des principales caractéristiques des tissus minéralisés (composition et organisation microstructurale). Par ailleurs, l'analyse de la microstructure de la dentine à l'échelle submicrométrique, est essentielle pour atteindre les nouveaux défis en odontologie.
Ce projet vise à étudier le rôle des forces mécaniques, à différentes échelles, sur le vieillissement des tissus minéralisés. Les avancées récentes soulignent la nécessité d'une meilleure connaissance de l'effet du vieillissement microstructural sur la réponse biomécanique, le développement de nouveaux outils de biomécanique pour déterminer la qualité des tissus, et un approfondissement des connaissances fondamentales sur les processus de microfissuration.
Vieillissement, microstructure et réponse mécanique
L'effet du vieillissement sur la microstructure des tissus et la réponse biomécanique associée à une échelle tissulaire est un domaine de recherche transversal. Cette approche qui inclut la quantification de la microstructure (indices morphométriques, ostéocytes, marqueurs biologiques, qualité et densité minérale) et les propriétés mécaniques permettra d'accéder à un ensemble d'outils de diagnostic fiables pour prédire le vieillissement des tissus minéralisés. Des échantillons de tissus humains et des modèles animaux de l'ostéoporose seront analysés. Le vieillissement pathologique des tissus, le traitement des maladies osseuses, l'interface biomatériaux / tissus et des modèles animaux soumis à une charge mécanique spécifique externe seront étudiés.
Nouveaux outils biomécaniques pour la qualité des tissus
La résistance mécanique dépend à la fois de la masse de tissu et de sa qualité. La dépréciation de la qualité osseuse induite par le vieillissement demeure mal comprise alors que nous savons à partir d'études expérimentales et cliniques qu'elle joue un rôle majeur dans la résistance du tissu. Pour relever ce défi, des essais mécaniques à échelle submicrométrique sont nécessaires.
Des essais mécaniques (essais de traction, essais de flexion trois points ...) à l'intérieur du nanoscanner sur de petits échantillons (inférieurs à 1 mm3) seront réalisés. La résistance sera déterminée en utilisant une technique numérique 3D de corrélation d'images à une échelle micrométrique (50 µm) et les paramètres mécaniques qui gouvernent le comportement des tissus seront déterminés en utilisant une procédure mathématique inverse.
Microfissures et remodelage osseux
Dans les os, les microfissures sont désormais considérées comme l'élément déclencheur d'une unité de remodelage osseux. La détermination des relations spatiales et fonctionnelles entre les microfissures 3D lors d'un chargement mécanique et la formation de microvaisseaux nécessite le couplage entre des expérimentations et une modélisation numérique. Ceci reste un des principaux défis de la biologie osseuse et de la mécanique des matériaux. L'originalité de ce programme réside dans l'analyse combinée des altérations des microvaisseaux, l'apoptose des ostéocytes et les paramètres de microfissures (morphologie et la mécanique), en essayant de mettre en évidence les relations entre ces trois fonctions dans le contexte du vieillissement des tissus.