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29-31 octobre 2012, Ecole Centrale de Lyon, Ecully, France CARACTERISATION DU TISSU OSSEUX HUMAIN PAR
NANOINDENTATION
P. Crozier1, S Meille1, P Clément1, T Douillard1, I Hadjab2, H. Follet2, J. Chevalier1 et G. Boivin2

1. Université de Lyon, INSA Lyon, MATEIS UMR CNRS 5510, F-69621 VILLEURBANNE Cedex
2. Université de Lyon, INSERM,
UMR1033, F-69008, Lyon, France

Mots Clés

Tissu osseux humain, Minéralisation, Comportement visco-élasto-plastique, Nanoindentation
INTRODUCTION

Afin de réduire les risques de fractures lors de pathologies osseuses, la détermination des propriétés mécaniques du tissu osseux est indispensable. Cette étude se révèle délicate car l’os est un
matériau au comportement mécanique contrôlé par une architecture complexe, et ce à différentes
échelles. Il est ainsi admis que la résistance osseuse n’est pas exclusivement expliquée par la masse
osseuse mais plutôt par un ensemble de propriétés qualitatives établissant la « qualité osseuse ». Ces
propriétés sont bien sûr la taille, la géométrie, la microarchitecture de l’os, mais aussi des propriétés
intrinsèques qui définissent la qualité des phases minérales (nanocristaux d’apatite) et organiques
(matrice collagène) de l’os. Dans cette étude, nous nous sommes intéressés aux propriétés mécaniques
de tissu osseux minéralisé et non minéralisé (tissu ostéoïde) par nanoindentation. Une étude spécifique
du comportement en fluage du tissu osseux a également été réalisée.
ESSAIS

Les essais ont porté sur du tissu osseux cortical et trabéculaire de quatre biopsies iliaques de patients atteints d’ostéomalacie, pathologie entraînant l’absence de minéralisation de certaines zones du tissu osseux. Afin d’assurer leur conservation, ces biopsies ont toutes suivi un protocole strict d’imprégnation en résine [1]. Les essais de nanoindentation ont été réalisés sur une machine Nano II en suivant deux protocoles d’indentation distincts. Un premier mode dynamique, dit « CSM », permet de caractériser le module élastique et la dureté en fonction de la profondeur d’indentation. Une profondeur maximale d’indentation de 5 µm a été choisie afin d’obtenir les propriétés locales mais de s’affranchir de l’hétérogénéité de structure à l’échelle lamellaire [1-2]. Un second protocole, dit « fluage », a été utilisé pour étudier le fluage du tissu osseux lors d’un palier de 240 secondes à une force constante de 150 mN. Afin de préciser le caractère visco-élasto-plastique du tissu osseux, un ajustement des courbes expérimentales obtenues avec le protocole de fluage a été effectué en utilisant deux modèles
rhéologiques différents [3-4]. L’optimisation des paramètres de ces modèles a été réalisée grâce à un
algorithme de Levenberg-Marquardt, implémenté sous Matlab.
RÉSULTATS

Les courbes obtenues avec le protocole CSM ont permis de révéler trois comportements mécaniques distincts pour le tissu minéralisé, le tissu ostéoïde et la résine d’imprégnation (Figure 1). L’analyse de statistique descriptive sur 243 indents a permis d’extraire la dureté et le module élastique pour ces trois tissus (Figure 1). Les variations significatives de propriétés observées sur le tissu ostéoïde non minéralisé laissent penser que plusieurs variables définissent la qualité et les propriétés de ce tissu organique. 29-31 octobre 2012, Ecole Centrale de Lyon, Ecully, France Figure 1 : Courbes charge-déplacement caractéristiques obtenues par indentation instrumentée, L’utilisation de deux modèles rhéologiques différents : VEP (visco-élasto-plastique) [3] et Burgers [4], a permis d’ajuster l’évolution expérimentale de la profondeur de pénétration au cours du
palier à force constante. Le modèle de Burgers permet de bien décrire l’évolution de la profondeur
d’indentation avec le temps, contrairement au modèle VEP. Les variations des paramètres obtenus
(viscosités et modules) suivant le type de tissu, ostéoïde ou minéralisé, confirment le rôle prépondérant
de la matrice organique sur la composante visqueuse du comportement mécanique de l’os humain.

CONCLUSION

Des essais de nanoindentation réalisés sur quatre biopsies iliaques de patients atteints d’ostéomalacie ont permis de différencier le comportement mécanique à l’échelle tissulaire ostéoïde et minéralisé. Pour la première fois, la dureté, le module élastique, ainsi que des caractéristiques du comportement visqueux ont pu être caractérisés pour ces deux tissus. L’utilisation des modèles rhéologiques a confirmé la participation importante de la phase organique dans le caractère visqueux du tissu osseux. Références

[1] Y. Bala, B. Depalle, T. Douillard, S. Meille, P. Clément, H. Follet, J. Chevalier, G. Boivin (2011)
« Respective roles of organic and mineral components of bone matrix in micromechanical behaviour:
an instrumented indentation study
», Journal of the Mechanical Behaviour of Biomedical Materials 4,
pp. 1473-1482.
[2] Y. Bala, B. Depalle, T. Douillard, S. Meille, H. Follet, R. Chapurlat, J. Chevalier, G. Boivin (2012)
« Bone Micromechanical Properties Are Compromised During Long-Term Alendronate Therapy
Independently of Mineralization
», J Bone Miner Res 27, pp. 825-834.
[3] M.-L. Oyen (2006) « Nanoindentation hardness of mineralized tissues », Journal of Biomechanics
39, pp. 2699-2702.
[4] M. Vandamme, F.-J. Ulm (2006) « Viscoelastic solutions for conical indentation », International
Journal of Solids and Structures 43, pp. 3142–3165.

Source: http://indentation2012.ec-lyon.fr/wp-content/uploads/resumes/Oral_Crozier.pdf

Wr report 2/00 (eng)

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