D5 Caractérisation des matériaux biologiques

Topique

La caractérisation des matériaux biologiques fait appel à la mécanique des solides et à la rhéologie pour déterminer les propriétés mécaniques des tissus constituant l'appareil locomoteur — os, cartilage, tendons, ligaments, muscles et fascias — les matériaux structuraux qui soutiennent le mouvement. Contrairement aux matériaux d'ingénierie, généralement homogènes, ces tissus biologiques sont hétérogènes et leur comportement varie selon la direction de la force appliquée. Ils sont également viscoélastiques, et leur comportement mécanique dépend fortement de leur historique de sollicitation, de leur degré d'hydratation et de leur température.

Les propriétés mécaniques de ces tissus sont déterminées par des essais de traction et de compression unidirectionnels. Ces essais génèrent une courbe reliant la force appliquée à la déformation résultante. À partir de cette courbe, on déduit la rigidité du tissu dans sa section rectiligne et sa ténacité à la rupture — c'est-à-dire la contrainte maximale que le tissu peut supporter avant de se rompre. Dans les tissus mous, cette courbe présente d'abord un segment initial de faible rigidité, où les fibres de collagène, encore désalignées, s'alignent progressivement dans le sens de la charge. Ce n'est qu'ensuite, une fois alignées, que le tissu entre dans le segment rectiligne de haute rigidité.

La nature viscoélastique de ces tissus, mentionnée précédemment, est quantifiée par deux types de tests complémentaires : le test de relaxation, où la déformation du tissu est maintenue constante et où la force nécessaire pour la maintenir diminue progressivement jusqu'à une valeur d'équilibre ; et le test de fluage, où la charge appliquée est maintenue constante et où la déformation du tissu continue d'augmenter au fil du temps. Un modèle combinant une composante purement élastique et une composante combinant élasticité et viscosité permet de décrire ces deux comportements avec seulement trois paramètres : la rigidité instantanée du tissu, sa rigidité à l'équilibre après relaxation et le temps caractéristique de transition entre ces deux états.

Au sein de chaque fibre de collagène qui s'aligne lors de la mise en charge, comme mentionné dans le test mécanique précédent, se trouvent des fibrilles de collagène individuelles. Celles-ci peuvent être caractérisées séparément, à l'échelle nanométrique, grâce à un microscope capable de mesurer la force de contact exercée par sa pointe. La pression de cette pointe contre des fibrilles de collagène individuelles donne des valeurs de rigidité comprises entre un et cinq gigapascals, nettement supérieures à la rigidité du même collagène lorsqu'elle est mesurée au sein du tissu entier.

Dans le cas spécifique de l'os, la rigidité structurelle n'est pas mesurée directement par un test mécanique, mais estimée à partir de sa teneur en minéraux. La densitométrie osseuse mesure la quantité de minéraux contenus dans l'os et leur distribution. Cette densité minérale est liée au module d'élasticité de l'os par un rapport de puissance déterminé empiriquement ; ainsi, les os à densité minérale plus élevée sont structurellement plus rigides.

Le comportement attendu lors de cette caractérisation des matériaux biologiques est que la dégradation mécanique des tendons et du cartilage progresse selon un rapport puissance/poids en fonction du nombre cumulé de cycles de charge subis par le tissu : initialement, la rigidité diminue lentement, mais cette diminution s’accélère avec l’accumulation des cycles. Lorsque cette diminution du module d’élasticité dépasse trente pour cent de la valeur initiale du tissu sain, la réduction cesse d’être une variation mineure et devient cliniquement significative.

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