Les caoutchoucs utilisés dans les applications d’ingénierie sont souvent sollicités cycliquement et présentent une réponse thermomécanique complexe dépendante du temps. Établir le couplage entre les différents phénomènes inélastiques, apparaissant généralement ensemble au cours de l’historique du chargement cyclique, est une question ouverte à résoudre. Cette thèse est dédiée à la formulation et à la vérification expérimentale de modèles de comportement thermomécaniques pour les caoutchoucs. Le mémoire de thèse est divisé en deux parties. La première partie est axée sur les caoutchoucs renforcés par du noir de carbone. Les effets du pré-étirement et de la teneur en noir de carbone sur la réponse cyclique d'un caoutchouc synthétique représentatif (SBR) sont analysés qualitativement et quantitativement à l'aide de la théorie des variables internes. Une interprétation des mécanismes physiques sous-jacents est proposée dans laquelle deux types de réarrangements dissipatifs du réseau de chaînes sont considérés, à savoir les réarrangements recouvrables induisant une viscoélasticité et les réarrangements non recouvrables induisant un endommagement. Afin de prédire l'ensemble des principaux effets inélastiques (l’adoucissement de la contrainte induit par la fatigue et l’hystérésis ainsi que la dissipation thermique), nous avons formulé un nouveau modèle constitutif thermo-viscoélastique endommageable basé sur la théorie des variables internes. Le modèle constitutif proposé est implémenté dans un code éléments finis et des applications numériques sur des structures en caoutchouc sont effectuées. Les capacités prédictives du modèle sont vérifiées par des comparaisons avec nos observations expérimentales. La seconde partie est consacrée aux caoutchoucs cristallisables par étirement. Nous avons développé un nouveau modèle physiquement fondé inspiré du micro-mécanisme pour décrire l'évolution progressive du degré de cristallinité dans les caoutchoucs et leur réponse thermomécanique dépendante du temps dans le contexte de la thermodynamique des processus irréversibles. Dans ce modèle, la configuration moléculaire d’une chaîne partiellement cristallisée est analysée et calculée au moyen de certaines méthodes mécaniques statistiques. Notre approche est implémentée dans le modèle micro-sphère dans le but d'introduire l'anisotropie et la dissipation induites par la cristallisation d’un réseau de chaînes. Le modèle constitutif proposé est ensuite utilisé pour discuter certains aspects importants du micro-mécanisme et de la réponse macroscopique à l'état d'équilibre et à l'état non équilibré pendant l'étirement/la recouvrance/la relaxation continue. Les simulations du modèle sont également comparées aux données expérimentales à différents niveaux d'étirement et à différentes températures. Les champs locaux en termes d'anisotropie et de dissipation sont présentés à l'aide d'exemples numériques. / Establishing the coupling between the different inelastic phenomena, usually appearing together during the cyclic loading history, is an open issue to be addressed. The Phd report is divided into two parts. The first part is focused on filled rubbers. The effects of pre-stretch and filler content on the history-dependent cyclic response of a representative carbon-filled synthetic rubber (SBR) are qualitatively and quantitatively analyzed by using the internal state variable theory. An interpretation of the underlying physical mechanisms is proposed in which two types of dissipative network rearrangements are considered, i.e. recoverable rearrangements inducing viscoelasticity and unrecoverable rearrangements inducing damage. In order to predict the main set of inelastic fatigue effects (fatigue-induced stress-softening and hysteresis along with dissipative heating), we formulate a new thermo-viscoelastic-damage constitutive model based on the internal state variable theory. The proposed constitutive model is implemented into a finite element program and numerical applications on rubber structures are performed. The predictive capabilities of the model are verified by comparisons with our experimental observations. The second part is focused on stretch-induced crystallizable rubbers. We develop a new micro-mechanism inspired molecular chain model to describe the progressive evolution of the crystallinity degree in rubbers and the history-dependent thermo-mechanical response within the context of the thermodynamic framework. In this model, the molecular configuration of the partially crystallized single chain is analyzed and calculated by means of some statistical mechanical methods. Our approach is implemented into the micro-sphere model in the aim to introduce the crystallization-induced anisotropy and dissipation. The proposed constitutive model is then used to discuss some important aspects of the micro-mechanism and the macro-response under the equilibrium state and the non-equilibrium state involved during stretching/recovery/continuous relaxation. The model simulations are also compared to experimental data at different stretch levels and temperatures. Local fields in terms of anisotropy and dissipation are presented on illustrative numerical examples.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Durant ce travail, nous avons étudié les propriétés mécaniques et de fracture d'élastomères à réseaux multiples synthétisés par des étapes successives de gonflement/polymérisation inspirées de l'architecture moléculaire développée par Gong pour les doubles réseaux hydrogels. Une méthode de synthèse plus versatile a été utilisée pour varier de façon continue le pré-étirement isotrope du premier réseau λ0, qui contrôle le module d'Young et le durcissement. Dans le cas d'une dilution importante du premier réseau (<10%), une scission moléculaire apparaît à grande déformation dans le réseau pré-étiré sans rompre le matériau. Le taux de dilution contrôle la quantité d’endommagement et donc la pente de la courbe contrainte-déformation. Finalement, pour les systèmes les plus dilués (<3%), une striction est observée au-dessus d’un seuil de contrainte. Changer le taux de réticulant du premier réseau ou les monomères utilisés ont conduit par ailleurs à l’obtention de comportements mécaniques similaires. L’énergie de fracture Γ est une fonction croissante de λ0. Des techniques de visualisation locale comme la Corrélation d’Image Numérique et l’intégration de molécules méchanoluminescentes ont été utilisées pour décrire une zone d’endommagement en tête de fissure dont la taille augmente avec λ0. Enfin, le mécanisme de renforcement des élastomères à réseaux multiples a pu être partiellement décrit dans le contexte du modèle de Brown sur les doubles réseaux. / We investigated systematically the mechanical and fracture properties of multiple network elastomers synthesized by successive swelling/polymerization steps inspired by the molecular architecture of Gong’s double network gels. A more versatile synthesis method was used to vary continuously the isotropic degree of prestretching λ0 of the first network resulting in a wider range of mechanical behaviours, where λ0 controls the Young’s modulus at small strain and the strain hardening at large strain. If the first network is diluted enough (<10%) molecular bond breakage occurs in this prestretched network at high strain while avoiding sample failure. The degree of dilution controls the amount of damage and therefore the slope of the stress-strain curve. Finally, for the most diluted systems (<3%), a yield stress and a necking phenomenon was observed. Changing the degree of crosslinking of the first network or the monomers used led to the same qualitative mechanical behaviour. The fracture energy Γ was shown to be an increasing function of λ0 however different regimes could be distinguished with macroscopic fracture occurring before or after bulk damage was detected. Visualisation techniques such as Digital Image Correlation and embedded mechanoluminescent molecules were used to map a damage zone in front of the crack tip, the size of which increased with λ0. Finally, the toughening mechanism of the multiple network elastomers could be understood in a nearly quantitative way within the framework of Brown's model of fracture of double network gels.

Cette étude vise à décrire le rôle de l’héritage et de la segmentation associés au rifting pour la réactivation ainsi qu’à étudier l’importance de l’asymétrie tectonique sur l’évolution thermique syn-rift, en utilisant le système pyrénéo-cantabrique comme laboratoire naturel. L’étude de la jonction entre les segments pyrénéen et cantabrique infirme l’hypothèse d’une faille transformante de Pampelune et met en évidence une zone d’accommodation où les segments de rifts se propagent au nord et au sud des massifs basques, associée à une direction d’extension nord-sud. Lors de la convergence, cette segmentation et le niveau de découplage associé aux évaporites triasiques contrôlent fortement la réactivation ainsi que l’architecture orogénique locale. Enfin, cette étude démontre que l’asymétrie lors de l’hyper-étirement est associée à une évolution thermique asymétrique et diachrone, et souligne l’importance de l’évolution tectonique pour l’architecture thermique. / This study aims to describe the role of rift-inheritance and segmentation for reactivation and to investigate the influence of asymmetric rifting on the syn-rift thermal evolution, using the Pyrenean-Cantabrian system as a natural laboratory. The study of the Pyrenean-Cantabrian junction discards the existence of a Pamplona transform fault between the two rift segments and argues for an accommodation zone where rift segments overlap north and south of the Basque massifs in relation with north-south direction of extension. During convergence, rift segmentation and the Triassic evaporite decoupling horizon controlled the reactivation and the local orogenic architecture. Finally, this study shows that asymmetric hyperextension is associated with asymmetric and diachronous thermal evolution, and highlights the importance of understanding the tectonic evolution to define the thermal architecture.

Le cartilage articulaire est un tissu conjonctif spécialisé recouvrant les surfaces osseuses et assurant, avec d’autres tissus comme la membrane synoviale, le bon fonctionnement des articulations. Le cartilage est composé d'un type cellulaire, le chondrocyte, qui assure la synthèse et la dégradation d’une matrice extracellulaire essentielle à ses propriétés mécaniques. Les articulations, en conditions physiologique et pathologique, sont soumises à deux stress principaux agissant sur l’homéostasie du cartilage : le stress mécanique et le stress inflammatoire. Le premier objectif de ma thèse était d’étudier l’effet d’un stress mécanique de type étirement sur le profil d’expression des gènes dans des chondrocytes articulaires de lapin en culture primaire en utilisant une approche à grande échelle (micro‐arrays). Nous avons identifié 36 et 57 transcrits répertoriés dans le génome de lapin et dont les taux d’expression sont respectivement augmentés et diminués par un étirement équibiaxial cyclique (5%, 1Hz, 20h). Certains gènes sont connus pour leur implication dans l’inflammation, la mort cellulaire et la dégradation matricielle. Parmi eux, celui de la relaxine (RLN) était le gène le plus induit par l’étirement. La relaxine, hormone peptidique de la superfamille de l’insuline/relaxine, est connue pour son implication dans la reproduction et la grossesse. En revanche son rôle dans le cartilage articulaire restait à étudier. Le deuxième objectif de ma thèse était, par conséquent, de caractériser la fonction de la RLN dans le cartilage. Mes résultats de RT‐PCR quantitative montrent pour la première fois que la quantité des transcrits de la RLN est augmentée par le stress mécanique et le stress inflammatoire (traitement par l’interleukine‐1) dans des chondrocytes articulaires de lapin. De plus, la quantité des transcrits de la RLN est diminuée au cours de la dédifférenciation des chondrocytes. Dans un modèle de gonarthrose induite chez la souris par déstabilisation du ménisque médial, j’ai montré par immunofluorescence que la RLN est principalement présente au niveau des couches superficielles du cartilage de genou et que son expression diminue dans le cartilage arthrosique par rapport au cartilage normal. De plus, le traitement par de la RLN de chondrocytes de lapin augmente l’activité de la métalloprotéinase MMP‐9 impliquées dans la dégradation du cartilage. En conclusion, cette étude montre que la RLN est sensible aux stress mécanique et inflammatoire et la dédifférenciation des chondrocytes. Elle suggère que cette hormone pourrait moduler l’homéostasie du cartilage. La RLN est donc une cible potentielle d’intérêt dans les pathologies ostéoarticulaires. / The articular cartilage is a specialized conjunctive tissue covering bone surfaces. It ensures, together with other tissues like the synovial membrane, the right functioning of the articulations. The cartilage is formed of one cellular type, the chondrocyte, which is responsible for the synthesis and degradation of the extracellular matrix required for its mechanical properties. The joints, under physiological and pathological conditions, are subjected to two main types of stress that affect cartilage homeostasis: mechanical stress and inflammatory stress. The first objective of my PhD thesisis is to study the effect of stretching, one type of mechanical stress, on the gene expression profile in rabbit articular chondrocytes in culture using a large scale approach (micro‐arrays). 36 and 57 transcripts of the rabbit genome which are up‐regulated and down‐regulated by equibiaxial cyclic tensile stretching (5%, 1Hz, 20h) respectively were identified. Some of these genes are known for their implication in inflammation, cell death and matrix degradation. Among them, the relaxin (RLN) gene is the most induced by stretching. RLN is a peptide hormone that belongs to the insulin/relaxin superfamily. It is known for its implication in reproduction and pregnancy. However, the role of RLN in cartilage is still to be studied. The second objective of my PhD thesis is, consequently, to characterize the function of RLN in cartilage. My qRT‐PCR results show, for the first time, that the RLN transcript levels increase upon mechanical and inflammatory (interleukin ‐1treatment) stress in rabbit articular chondrocytes. Moreover, RLN transcript levels decrease during cell dedifferentiation. In a model of gonarthrosis induced in mice by destabilization of the medial meniscus, I showed by immunofluorescence that RLN is mainly present in the superficial layers of the knee cartilage and that its expression decreases in osteoarthritic cartilage as compared to normal cartilage. Furthermore, treatment of rabbit chondrocytes with RLN increases the activity of the metalloproteinase MMP‐9 involved in cartilage degradation. In conclusion, this study shows that RLN is sensitive to mechanical and inflammatory stress and to chondrocyte dedifferentiation. It also suggests that this hormone could modulate cartilage homeostasis. Therefore, RLN is a potential target in osteoarticular pathologies.

La spasticité affecte entre 67 et 78% des individus vivant avec une lésion médullaire (LM) d'origine traumatique, ainsi qu'entre 15 et 56% des individus ayant une LM non-traumatique. Ce phénomène s'identifie comme étant un désordre moteur caractérisé par une augmentation vélo-dépendante (vitesse-dépendante) du réflexe tonique d'étirement avec une exagération du réflexe ostéotendineux, résultant d'une hyperexcitabilité du réflexe d'étirement. L'impact de la spasticité des membres inférieurs sur la fonction locomotrice fait l'objet de vifs débats dans la littérature scientifique existante. Cette disparité pourrait être expliquée, en partie, par les limites des outils cliniques utilisés pour mesurer la spasticité. Les outils cliniques sont régulièrement basés sur une échelle ordinale de la résistance perçue par l'évaluateur lors d'un mouvement passif du segment évalué, ce qui soulève des questionnements quant aux qualités métrologiques de ces outils. Il a été suggéré qu'une évaluation de la spasticité basée sur des données neurophysiologiques, tel que le réflexe d'étirement, et effectuée pendant la marche, pourrait procurer une approche plus directe pour étudier la relation entre ce désordre et la fonction locomotrice. L'objectif principal de mes études de maîtrise consistait à décrire la réponse réflexe des muscles fléchisseurs plantaires (FP) à l'étirement, mesurée avec un protocole d'évaluation pendant la marche, chez des individus ayant subi une LM incomplète. Également, la relation entre la spasticité des FP et la fonction locomotrice a été étudiée. Pour atteindre ces buts, une orthèse robotisée électrohydraulique a été utilisée pour induire des étirements contrôlés des muscles FP, pendant la phase d'appui et la phase d'oscillation de la marche. Les résultats de cette étude pourront permettre de mieux comprendre le phénomène de la spasticité, et ainsi d'établir des bases solides pour justifier le développement et l'utilisation de protocoles d'évaluation de la spasticité basés sur des données neurophysiologiques ET effectués pendant la marche. À plus long terme, l'utilisation de ce type de protocole pourrait contribuer à démontrer l'efficacité de certaines interventions utilisées en physiothérapie ciblant la spasticité. / Spasticity affects approximately 67 to 78% of individuals living with a traumatic spinal cord injury (SCI), in addition to between 15 to 56% of individuals living with a non-traumatic SCI. This phenomenon is defined as a motor disorder characterized by a velocity-dependent increase in tonic stretch reflexes with exaggerated tendon jerks, resulting from hyperexcitability of the stretch reflex. Existing literature presents equivocal results regarding the impact of lower limb spasticity on locomotor function. These divergent results may be explained, at least partly, by the limitations of the clinical assessment tools used to measure spasticity. Clinical tools are regularly based on an ordinal scale and are focused on the perceived resistance to passive stretching, which raise questions about the metrological qualities of these tools. It has been suggested that an assessment of spasticity including neurophysiological data, such as stretch reflex (SR), performed during gait may provide a more direct approach to study the relationship between this disorder and locomotor function. The main objective of my master studies was to investigate plantarflexors SR response to stretching, using an assessment while walking among individuals living with an incomplete SCI. In addition, relationship between spasticity and locomotor function was studied. To achieve these goals, a robotic electrohydraulic orthosis was used to induce controlled plantarflexor stretches during the stance and swing phases of gait. Results of this study will allow to better understand spasticity, to establish solid justifications to develop and use assessment protocols based on neurophysiological data AND during gait. In the long term, the use of this type of assessment could contribute to demonstrating the effectiveness of interventions used in physical therapy targeting spasticity

Dernière étape avant l'atomisation d'un volume de liquide, les ligaments sont présents dans de nombreuses applications industrielles, de même que dans le monde qui nous entoure ; leur dynamique demeure mal comprise. L'étirement, qui permet de leur donner naissance, affecte leur évolution et la manière dont ils se fragmentent (ou non). Pour quantifier l'effet de ce dernier, nous avons choisi d'étudier des configurations modèles dans lesquelles plusieurs paramètres peuvent être bien contrôlés. Une configuration de type pont liquide permet notamment de contrôler l'étirement via le déplacement de l'un des supports solides (mors). Lorsque l'étirement imposé est modéré, il est possible de prévoir analytiquement la déviation entre la forme dynamique et la forme d'équilibre correspondante, quelle que soit la loi de déplacement du mors. Cette prédiction montre en particulier qu'un pont liquide étiré peut s'épaissir appréciablement en son centre, suggérant un retardement de la rupture. Elle montre également que l'étirement axial est réparti de manière très inhomogène. Lorsque l'étirement est suffisamment vigoureux, les résultats expérimentaux montrent que le détachement capillaire du ligament peut être significativement hâté. Le temps de rupture est relié à la masse emportée par le mors en mouvement et dépend du protocole d'étirement. Les résultats suggèrent également la possibilité d'obtenir des ligaments démesurément longs et fins sans l'intervention d'effets visqueux. / Liquid ligaments represent the last step before atomization of a liquid volume, and are encountered in a variety of industrial applications, as well as the world around us; yet, there is much to learn about their dynamics and breakup. Stretching is an essential ingredient of ligaments formation, and affect their subsequent dynamics as well as the way they break (or not). In order to quantify its action, we choose model configurations where parameters can be controlled. Liquid bridges, in particular, provide a way to impose stretching by moving one of the solid rod supporting the bridge. When stretching is not too strong, it is possible to predict analytically the shift between the dynamical shape of the bridge and the corresponding static shape, for any given rod displacement. Particularly, this prediction show that the central section of a stretched liquid bridge tend to be thicker, which could delay breakup. It also show that the axial elongation rate is far from being uniform. When stretching is vigorous, experimental results show that the ligament initial breakup can be considerably sped up. Breakup time shows to be linked to the mass taken away by the moving rod and depend on stretching protocol. Finally, results suggest that it is possible to generate infinitely long ligaments without the mediation of viscous effects.

Nous avons étudié la friction de SBR (Styrene Butadiene Rubber) fondu sur des surfaces de faible rugosité portant des chaines ancrées de SBR, par mesures simultanées de la vitesse locale à la paroi (techniques de vélocimétrie laser par photolyse, mises au point au laboratoire pour des écoulements Couette-plan) et de la contrainte transmise. Le SBR est très enchevêtré par rapport aux études précédentes : ceci entraîne que les taux de cisaillement accessibles dans la fenêtre expérimentale peuvent être supérieurs à l'inverse du temps de reptation des chaines. Afin d'obtenir des surfaces avec des chaines de longueur et de densité contrôlées, nous avons d'abord utilisé des SBR fonctionnalisés monochlorosilane. Cette voie n'a pas abouti en raison d'impuretés résiduelles de synthèse créant des défauts dans les couches. Nous avons alors adsorbé des copolymères diblocs SBR-PDMS dont le bloc PDMS court s'adsorbe plus fortement a la surface que le bloc SBR. Dans toutes les expériences de friction sur des surfaces portant des chaines de SBR, nous avons observé le passage progressif d'un régime de glissement faible vers un régime de glissement fort en fonction du taux de cisaillement. Nous avons observé de manière quasi systématique un blocage de la contrainte sur une large gamme de vitesses de glissement, d'où une friction non linéaire, correspondant à la plage des vitesses de la transition faible -- fort glissement. La comparaison avec les modèles de Brochard-de Gennes ou d'Ajdari et al. reste qualitative compte tenu du nombre restreint de couches contrôlées, mais ces transitions de glissement et le blocage de contrainte correspondent bien an mécanisme d'étirement progressif et d'extraction des chaines ancrées en surface.

L'objectif de cette thèse était d'appréhender les effets de la croissance et de l'expertise sur les propriétés biomécaniques des membres inférieurs de l'Homme. Pour ce faire, une série d'expérimentations se basant sur un modèle "masse-ressort" associé à des tâches de sauts verticaux ont été menées dans des conditions de terrain. Nous avons démontré dans un premier temps qu'un système accélérométrique transportable et autonome pourrait être utilisé, in situ, d'une manière fiable et valide afin d'estimer l'ensemble des paramètres mécaniques et indices neuromusculaires étudiés au cours de ce travail de recherche. Ensuite, au cours d'une étude croisée, nous avons identifié un âge d'or pour la maturation des paramètres neuromusculaires des membres inférieurs qui se situe autour de 15-16 ans, âge de début de différenciation fille/garçon et d'évolution des propriétés neuromusculaires du cycle étirement-renvoi vers l'âge adulte. Enfin, nous avons étudié l'effet de l'expertise sur les qualités physiques du sportif. Les résultats montrent clairement que le comportement neuromécanique des membres inférieurs évolue avec l'expertise sportive, d'une façon spécifique à l'activité.

L’objectif de cette thèse était d’appréhender les effets de la croissance et de l’expertise sur les propriétés biomécaniques des membres inférieurs de l’Homme. Pour ce faire, une série d’expérimentations se basant sur un modèle “masse-ressort” associé à des tâches de sauts verticaux ont été menées dans des conditions de terrain. Nous avons démontré dans un premier temps qu’un système accélérométrique transportable et autonome pourrait être utilisé, in situ, d’une manière fiable et valide afin d’estimer l’ensemble des paramètres mécaniques et indices neuromusculaires étudiés au cours de ce travail de recherche. Ensuite, au cours d’une étude croisée, nous avons identifié un âge d’or pour la maturation des paramètres neuromusculaires des membres inférieurs qui se situe autour de 15-16 ans, âge de début de différenciation fille/garçon et d’évolution des propriétés neuromusculaires du cycle étirement-renvoi vers l’âge adulte. Enfin, nous avons étudié l’effet de l’expertise sur les qualités physiques du sportif. Les résultats montrent clairement que le comportement neuromécanique des membres inférieurs évolue avec l’expertise sportive, d’une façon spécifique à l’activité. / The aim of this thesis was to apprehend the growth and expertise effects on the biomechanicalproperties of the human lower limb. For that aim, we basically used a “spring-mass” model whichwas associated to in-field vertical jump tasks. Firstly, we demonstrated that a transportable andautonomous accelerometric system was reliable and valid for assessing the whole mechanical andneuromuscular parameters which we studied in the current research work. Secondly, we identified agolden age for the maturation of the lower limb neuromuscular properties through a crossover study.That was the age of 15-16 years, which corresponds to a beginning of a gender differentiation and anevolution of the neuromuscular properties of the stretch-shortening cycle to the adulthood. Finally, westudied the effects of expertise on the sportsman physical abilities. The results clearly show that theneuromechanical behaviour of the lower limbs evolves with expertise by following an activity-relatedspecific way.