Modélisation de la liaison os-ligament dans l'articulation du genou

Cette these est une contribution a l'amelioration de la connaissance des comportements mecaniques des tissus biologiques, en particulier dans le contexte accidentologique. L'objectif de cette etude biomecanique est de faire le lien entre les notions de lesions utilisees en clinique et celles d'endommagement et de rupture utilisees en mecanique. Elle porte sur la modelisation du comportement des ligaments dans l'articulation du genou humain, et s'interesse plus particulierement a l'insertion du ligament dans l'os. Les lesions qui touchent cette structure se produisent soit dans le ligament, soit dans une region proche de la zone de transition entre l'os et le ligament. Ce probleme est original sur les plans anatomique et mecanique. Sur le plan anatomique, il n'existe pas de description fine (c'est-a-dire a l'echelle microscopique) de l'architecture de cette transition, qui parait brutale a l'oeil nu et qui est un lieu possible de lesion ligamentaire. Sur le plan mecanique, il s'agit de l'etude d'un tissu biologique, qui comprend de plus la transition entre un tissu dur mineralise (l'os) et un tissu mou non mineralise a fibres longues (le ligament). La methodologie a donc ete de comprendre le fonctionnement de l'articulation du genou et les lesions et traumatismes dont elle est le lieu, de connaitre la composition et l'organisation des tissus qui constituent cette transition, au moyen d'un etude histologique, de decrire son comportement mecanique dans le fonctionnement du ligament, par le developpement d'un protocole experimental, et enfin de developper un modele de comportement de l'insertion ligamentaire. L'etude porte sur les ligaments croise posterieur et lateral externe, ligaments dont les mecanismes lesionnels dans le cas des accidents de la route ont ete plus particulierement etudies. L'architecture de la zone de transition en microscopies optique et electronique a ete decrite et a montre qu'elle est la superposition d'un front de mineralisation et d'un changement de la structure du tissu (presence de cartilage fibreux). Cette transition se fait sur une longueur d'environ 300 micrometres. Les essais experimentaux de traction ont ete realises sur la structure insertion ligamentaire - ligament - insertion ligamentaire prelevee sur sujets d'anatomie. La sollicitation a ete appliquee soit dans la direction des fibres ligamentaires, soit une direction realiste du point de vue physiologique. Les protocoles developpes permettent de faire des essais cycliques sans endommager les tissus et des essais a rupture sous sollicitations quasi-statiques (1 mm/s et 20 mm/s) et dynamiques (0.5 m/s et 1 m/s). Pour les essais dans la configuration physiologique, les genoux ont ete testes en extension complete (station erigee) et a 120 degres de flexion (position de conduite). Les resultats experimentaux montrent que, pour les vitesses et amplitudes testees, les ligaments dissipent de l'energie par frottement interne et que leur comportement est tres dependant de l'angle de flexion du genou. La rupture se produit toujours par arrachement osseux au niveau de l'os cortical en quasi-statique. En dynamique, pour la vitesse testee, il y a toujours decohesion entre fibres dans le ligament, mais la rupture se produit le plus souvent par arrachement de l'os spongieux en profondeur. L'etude du comportement du ligament (influence de l'orientation de l'insertion ligamentaire) et de la micro-structure de l'insertion nous ont menes a choisir un modele d'interface pour decrire son comportement. Deux modeles de zones cohesives (couplant frottement, adhesion et eventuellement endommagement) ont ete developpes pour predire les lesions par arrachement osseux et par decohesion entre les fibres ligamentaires.