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Thèse Année : 2021

Ultrasonic characterization of soft tissue-to-bone interphase : modeling, numerical study and experimental validation

Caractérisation ultrasonore de l'interphase tissu mou-os : modélisation, étude numérique et validation expérimentale

Ali Aghaei
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1191442
  • IdRef : 265787610

Résumé

The interaction between soft and hard tissues is essential to ensure good mobility to the musculoskeletal system. In particular, the integration between tendon and bone occurs through a specific functionally graded interphase called enthesis. This transitional tissue serves the challenging task of connecting these two highly dissimilar tissues with a mismatch in mechanical properties of nearly two orders of magnitude over a submillimeter wide region, by means of finely tuned gradients in structure, composition, and biomechanical properties at different length scales. Nevertheless, this interphase is a frequent site of injuries because of physical overloading, systemic diseases, or tissue degeneration in the elderly. The failure rate of surgical procedures for the repair of musculoskeletal injuries involving multiple tissues remains particularly high, especially because of the lack of integrative solutions for restoring such kind of interphases. In this regard, understanding the mechanisms behind the mechanical effectiveness of interfacial regions is essential for many different purposes including diagnosis, repair, and regeneration, as well as to develop biomimetic strategies in tissue engineering.Within this context, the present thesis aims at mechanically characterizing biological multi-tissue interphases, like the tendon-to-bone insertion. To tackle this objective, chapter 1 provides an overview on the relationships between the structure and the composition of the transitional tissues at the tendon-to-bone attachment. Based on these considerations, this chapter also gives an overview of the modeling strategies that have been developed at different length scales. Chapter 2 develops a mean-field homogenization model relying on Eshelby’s solution of a single-inclusion problem that, based on the knowledge of the compositional features of the tendon-to-bone interphase at lower length scales, allows predicting its overall mechanical behavior at the mesoscopic scale. The results from this model are then further used as an input to address the two subsequent approaches developed in chapters 3 and 4. Thereby, chapter 3 aims at bridging the gap between the tissue-scale and the organ scale for modeling purposes, by developing an equivalent interface model with specific properties, which retains information of the microstructural features of the interphase. This is achieved by means of an original model developed in the framework of surface elasticity, which accounts for both the elastic and inertial behavior of the real interphase. The performance of this enriched model is evaluated in the context of elastic wave propagation. Lastly, in chapter 4, the multiscale modeling is exploited for replicating some mesoscopic features adopted by this biological interphase towards the development of biomimetic strategies in engineering. This is achieved by fabricating additively manufactured samples that possess an interphase with bioinspired properties. These samples are then mechanically characterized using ultrasound measurements and mechanical modeling.Overall, this multidisciplinary work, which combines multiscale modeling, numerical simulations, and experimental validation, allows for a better understanding of the mechanics of biological soft-to-hard interphases and proposes innovative modeling and characterization strategies towards tissue engineering applications, in particular for orthopedics.
La liaison entre les tissus mous et les tissus durs est essentielle afin d'assurer une bonne mobilité au système musculo-squelettique. En particulier, la liaison entre le tendon et l'os a lieu par le biais d'une interphase tissulaire appelée enthèse. Cette interphase a pour rôle de connecter ces deux tissus présentant des propriétés mécaniques fortement dissimilaires sur une très petite région, et ce grâce à des caractéristiques spécifiques de structure, de composition et de propriétés biomécaniques à différentes échelles.Cependant, suite à une blessure en raison d'une surcharge physique, de maladies systémiques ou de dégénérescence tissulaire chez les personnes âgées, cette interphase ne peut pas correctement se régénérer. Le taux d'échecs des interventions chirurgicales pour réparer ces lésions musculo-squelettiques reste particulièrement élevé, notamment en raison du manque de solutions intégratives pour la réparation de cette interphase. Une meilleure compréhension des mécanismes responsables de l'efficacité mécanique de cette région interfaciale est donc essentielle tant pour des objectifs cliniques que pour l'élaboration de stratégies biomimétiques en ingénierie tissulaire.Dans ce contexte, le présent travail vise à caractériser mécaniquement les interphases biologiques, à l'image de l'enthèse tendon-os. Pour atteindre cet objectif, le chapitre 1 donne un aperçu des relations entre la structure et la composition de l'insertion tendon-os. Sur la base de ces considérations, ce chapitre fournit également un aperçu des stratégies de modélisation développées à différentes échelles. Le chapitre 2 développe un modèle d’homogénéisation par champs moyens, à partir du célèbre problème d’Eshelby d’une inclusion dans une matrice, basé sur la connaissance des caractéristiques de composition de cette interphase aux petites échelles, permettant ainsi de prédire son comportement mécanique effectif à l'échelle mésoscopique. Les résultats de ce modèle sont ensuite utilisés comme données d'entrée dans les approches développées aux chapitres 3 et 4. Ainsi, le chapitre 3 vise à combler le fossé entre l'échelle du tissu et l'échelle de l'organe à des fins de modélisation en développant un modèle équivalent d'interface avec des propriétés spécifiques qui préservent les informations sur les caractéristiques microstructurelles de l'interphase. Ceci est réalisé au moyen d'un modèle original développé dans le cadre de l'élasticité de surface, qui rend compte à la fois du comportement élastique et inertiel de l'interphase réelle. Les performances de ce modèle enrichi sont évaluées dans le cadre de la propagation des ondes élastiques. Enfin, dans le chapitre 4, le modèle multi-échelle est exploité pour reproduire certaines caractéristiques mésoscopiques adoptées par cette interphase biologique pour le développement de stratégies biomimétiques en ingénierie. Ceci est réalisé par fabrication additive d'échantillons présentant une interphase possédant des propriétés bio-inspirées. Ces échantillons sont ensuite caractérisés mécaniquement à l'aide de mesures ultrasonores et de modélisation mécanique.En résumé, ce travail combine modélisation multi-échelle, simulations numériques et validation expérimentale pour permettre une meilleure compréhension de la mécanique des interphases biologiques et propose des stratégies de modélisation et caractérisation innovantes ouvrant la voie à des applications en ingénierie tissulaire, en particulier, pour l’orthopédie.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03864232 , version 1 (21-11-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03864232 , version 1

Citer

Ali Aghaei. Ultrasonic characterization of soft tissue-to-bone interphase : modeling, numerical study and experimental validation. Biomechanics [physics.med-ph]. Université Paris-Est, 2021. English. ⟨NNT : 2021PESC0071⟩. ⟨tel-03864232⟩
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