Le fonctionnement du cerveau repose sur la libération de molécules telles que les neurotransmetteurs et les métabolites dans le milieu interstitiel. L’étude de ces molécules est donc primordiale afin de mieux comprendre leur rôle physiologique et pathologique. Pour cela, les biocapteurs enzymatiques implantables sont un outil prometteur de par leurs capacités de détection quantitative, en temps réel et dans les tissus profonds. En fonction des dimensions du biocapteur, l’impact de l’implantation peut avoir des conséquences considérables sur la composition chimique du fluide interstitiel. De plus, chaque implantation induit localement une réaction inflammatoire dite « réaction au corps étranger ». La réduction de ces réactions est indispensable afin d’obtenir des estimations plus précises de la concentration des molécules présentes. Dans ce sens, ce manuscrit exposera deux voies de réduction de l’impact lésionnel dû à l’implantation de biocapteurs. Tout d’abord, il sera présenté la miniaturisation de biocapteurs enzymatiques jusqu’à des diamètres externes inférieurs à 15 µm. Et il sera démontré in vivo que ces biocapteurs ultra miniaturisés ont le potentiel d’être implantés dans le cerveau sans induire de dommages détectables aux tissus et aux vaisseaux sanguins. Ensuite, le développement d’une microsonde fabriquée à l’aide des technologies MEMS couplant une détection électrochimique et optique sera introduit dans le cadre du suivi du fluide interstitiel péri- et intratumoral de glioblastomes modifiés pour émettre de la fluorescence. En intégrant deux types de détection sur une unique micro-aiguille, cette microsonde permet de réduire le nombre d’implantations. Ces deux voies de miniaturisation ouvrent la possibilité de suivre la composition chimique du fluide interstitiel de manière moins invasive, et donc de mieux préserver la physiologie des tissus étudiés dans le cerveau. / Brain function is based on the release of molecules such as neurotransmitters and metabolites into the interstitial fluid. The study of these molecules is essential to better understand their physiological and pathological role. For this purpose, implantable enzymatic biosensors are a promising tool because of their quantitative, real-time and deep tissue detection abilities. Depending on the dimensions of the biosensor, the impact of implantation may have considerable consequences on the chemical composition of the interstitial fluid. In addition, each implantation induces a local inflammatory reaction called "foreign body reaction". The reduction of these reactions is crucial in order to provide more accurate estimations of molecules concentrations present in the interstitial fluid. In this sense, this manuscript will expose two ways of reducing the lesional impact due to the implantation of biosensors. First of all, it will be presented the miniaturization of enzymatic biosensors up to external diameters less than 15 µm. And it will be demonstrated in vivo that these ultra miniaturized biosensors have the potential to be implanted in the brain without inducing detectable damage to tissues and blood vessels. Then, the development of a microprobe fabricated using MEMS technologies combining electrochemical and optical detection will be introduced as part of the monitoring of peri- and intratumoral interstitial fluid from glioblastomes modified to fluoresce. By integrating two types of detection on a single micro-needle, this microprobe reduces the number of implantations. These two miniaturization approaches open up the possibility of following the chemical composition of the interstitial fluid in a less invasive way, and thus of better preserving the physiology of the tissues studied in the brain.

Les maladies cardiovasculaires sont la première cause de mortalité dans le monde chez les personnes âgées de plus de 65 ans. Parmi les maladies artérielles, l'anévrisme, maladie asymptomatique, est une dilatation localisée et permanente de la paroi d'une artère aboutissant à la formation d'une poche de taille variable. Soumis aux impulsions sanguines, l'anévrisme augmente progressivement et lorsqu'il se rompt, provoque une hémorragie interne pouvant entraîner la mort. Ce projet de recherche concerne le traitement endovasculaire des Anévrismes de l'Aorte Thoracique dont le traitement consiste à déployer une endoprothèse par voie fémorale. Actuellement, les chirurgiens planifient leurs interventions uniquement à partir d'informations issues de l'imagerie médicale. Cette procédure n'est pas totalement fiable et des limites liées à des configurations anatomiques complexes et à la difficulté du geste minimalement invasif persistent. Dans ce contexte, l'objectif est de développer un outil numérique réalisant des simulations virtuelles de ce traitement endovasculaire. Afin d'appréhender le comportement mécanique complexe du tissu artériel, des expérimentations avec une technique de corrélation d'images ont été réalisées sur des prélèvements humains d'aortes thoraciques. Des simulations d'écoulement sanguin dans l'aorte thoracique ont ensuite été réalisées chez un patient sain avec le logiciel OpenFOAM dans lequel un modèle rhéologique prenant en compte les effets viscoélastique et rhéofluidifiant du sang a été développé. En parallèle et en prévision de la modélisation complète de l'acte chirurgical, des calculs numériques sur la montée des outils chirurgicaux dans l'aorte thoracique ont été réalisés en se basant sur des travaux précédents au laboratoire sur la montée des outils dans l'aorte abdominale. L'approche envisagée s'inscrit ainsi dans le cadre des gestes médicaux et chirurgicaux assistés par ordinateur afin de proposer une solution personnalisée opérationnelle pour le choix d'un système de largage et d'une endoprothèse adaptés. / Cardiovascular diseases are the leading cause of death worldwide. Their analysis leads to multidisciplinary problems that require diversity, transversal and complementary approaches. This contribution is part of a research project in Computer Aided Surgery and intends to contribute to the improvement of TEVAR procedures in terms of accuracy and optimization of the operating strategy. In this study, stereocorrelation technique is used to measure the strain field under a human aortic arch in order to identify its mechanical behaviour. Blood flow simulations in the thoracic aorta were then carried out for a healthy patient using the open source OpenFOAM software. A rheological model derived from polymer rheology, considers viscous, shear thinning and other stress overshoot behaviours. In parallel and in anticipation of the complete modeling of the surgical procedure, numerical calculations ofthe rise of the surgical tools in the thoracic aorta were carried out based on previous work in the laboratory regarding the abdominal aorta. This study aims to virtually simulate the whole endovascular stent graft procedure for an aortic aneurysm. This procedure has a high rate of short-term success and its indication compared to open surgery is increasing. Despite many benefits such as reduced blood loss and reduced recovery time, the hindsight is insufficient and there are limitations related to complex anatomical configurations. This procedure therefore needs to be more reliable and secure. In this context, it is important to identify the mechanical behavior of the aorta for further numerical simulations.

Dans le cadre de la sécurité routière, les essais de choc ne permettent pas la prédiction des blessures internes, notamment aux organes abdominaux. La simulation numérique apparaît comme un outil prometteur pour évaluer le risque lésionnel d'une configuration d'impact en permettant de décrire les sollicitations relatives aux différents organes. Afin de quantifier le risque de blessure, il est nécessaire de connaître le comportement à rupture des tissus du corps humain. L'objet de cette étude est le foie, dont les blessures sont souvent graves. L'attention s'est portée sur les lacérations surfaciques, qui impliquent le parenchyme et la capsule hépatiques. L'objectif de cette thèse est de caractériser et modéliser le comportement et la rupture de ces deux tissus. L'étude expérimentale s'est progressivement focalisée sur les tissus impliqués dans la lacération surfacique. Un protocole de compression de foie entier pressurisé a mis en évidence le mécanisme d'apparition des lésions, liées à une sollicitation de traction biaxiale. Une série d'essais de traction uniaxiale sur parenchyme et capsule a permis la quantification des propriétés à rupture de ces tissus. Enfin, les essais de gonflement de capsule ont permis la caractérisation indépendante de celle-ci sous une sollicitation plus réaliste. La mesure de champ par corrélation d'images 2D puis 3D a été utilisée dans ces deux derniers protocoles, révélant les phénomènes locaux tels que la localisation de la déformation avant rupture. Le module élastique du parenchyme a été évalué ; un modèle linéaire puis hyperélastique a été identifié pour le comportement de la capsule. Lors de ces campagnes d'essais, les influences de l'origine biologique -porc ou humain - et de la congélation sur les propriétés mécaniques des tissus ont été évaluées par des tests statistiques. Le travail de modélisation s'est porté sur l'endommagement et la rupture d'un tissu fibreux membranaire initialement isotrope. Les fibres sont supposées élastiques linéaires fragiles. L'endommagement est modélisé comme le résultat de la rupture des fibres à l'échelle microscopique. Deux méthodes d'homogénéisation issues de la littérature sont utilisées et comparées. Le modèle obtenu permet de décrire l'endommagement par deux variables scalaires macroscopiques. Plusieurs phénomènes observés expérimentalement - dépliement progressif des fibres, fibres endommageables, propriétés variables d'une fibre à l'autre - constituent des extensions au modèle. Construit dans un cadre très général, ce modèle est identifié sur les essais de gonflement de la capsule hépatique. La simulation des essais est réalisée en appliquant les conditions aux limites expérimentales ; le module élastique et la déformation à rupture des fibres sont identifiés par un algorithme d'optimisation. Les modèles et propriétés mécaniques à rupture ainsi définis peuvent être inclus dans un modèle de foie entier en vue de la simulation d'un choc. / In the field of road safety, internal injuries including abdominal injuries cannot be predicted through crash-tests using dummies. Numerical simulation is a promising tool to evaluate the risk of injury of a given impact configuration by descripting the loadings on the organs. Quantifying the risk of failure requires knowledge about the mechanical behaviour and the failure properties of the tissues of the human body. As the liver injuries account for a large amount of the serious injuries, the present study is focused on this organ and more specifically on the surface laceration. The aim of this study is to characterize and model the failure behaviour of the two tissues involved in the surface laceration : the parenchyma and the hepatic capsule. The experimental study includes three protocols which range from the organ scale to the tissue scale. Compression tests on whole perfused porcine and human livers enhanced the failure mechanism of the liver surface ; surface laceration seems to be caused by multiaxial tension. Uniaxial tensile tests on parenchyma and capsule samples from human and porcine livers allowed the determination of the failure properties of these two tissues. Independent characterization of the human liver capsule was conducted through inflation tests, which correspond to a more realistic loading than uniaxial tension. Full-strain fields were computed by digital image correlation and stereocorrelation on the second and third protocols ; local phenomena such as the localization of the strain field before failure or material heterogeneities were observed. The linear modulus of the parenchyma was determined. The capsule behaviour was modeled as linear first, then as hyperelastic. Statistical tests based on the results of the uniaxial tests assessed the influence of the biological origin of the tissues - porcine or human - and the preservation method - keeping fresh of freezing. The modeling part of this study is focused on the damage and rupture of an isotropic fibrous membrane. The fibers are linear elastic and brittle. The failure of the fibers at the microscopic scale creates macroscopic damage in the tissue which can be described by two scalars. The homogenization of the behaviour is conducted through two methods available in the literature ; they can therefore be compared. Several phenomena observed on biological fibrous tissues - damageable fibers, crimped fibers, random mechanical properties of the fibers - have been included in the model. This damage model is finally identified on the inflation tests of the capsule which are simulated using the experimental boundary conditions catched by stereocorrelation. The elastic modulus as well as the ultimate strain of the fibers are determined by an optimization algorithm. The material and failure properties as well as the damage model determined in this study can be included in a liver model to simulate a crash. The occurence of surface laceration could then be predicted.

Paradoxalement, la sécurité routière est assurée entre autre par la production de particules d’usure ! Ainsi, près de 20 000 tonnes de garnitures de frein sont usées par an en France, dont 9 000 tonnes sous forme de particules d’usure aéroportées. Ces particules posent des problèmes de santé car leur composition chimique et leur morphologie font qu’elles interagissent avec la paroi alvéolaire entrainant des pathologies. Au cours de ces pathologies la phase la plus étudiée est la phase inflammatoire qui s’installe une fois que la particule a passé la première barrière de protection qui est le film de surfactant pulmonaire. En revanche, très peu d’études portent sur l’interaction directe des particules aéroportées avec le film de surfactant pulmonaire à cause de difficultés liées aux résolutions des moyens d’investigations cliniques. Alors-que ces études sont d’un intérêt fondamental puisque, de par ses propriétés physicochimiques de surfactant, ce film contrôle la mécanique respiratoire donc la capacité pulmonaire. Dans ce contexte, cette thèse analyse les mécanismes d’action de particules d’usure aéroportées modèles sur les propriétés physicochimiques et mécaniques des parois alvéolaires et plus particulièrement du film de surfactant pulmonaire. Pour cela, un modèle ex vivo de paroi alvéolaire reproduisant la composition, la microstructure du surfactant ainsi que les sollicitations mécaniques pendant les cycles respiratoires, a été mis au point. L’utilisation de ce modèle et les mesures associées ont permis d’élaborer une démarche d’identification des paramètres significatifs des particules qui déterminent leurs interactions avec le film de surfactant pulmonaire. Cela a permis de montrer que l’électronégativité des particules aéroportées est l’un des paramètres significatifs qui induit des changements couplés à différentes échelles, qui vont de la conformation moléculaire (nano), à la microstructure (micro) et aux propriétés mécaniques (macro) de la paroi alvéolaire, conduisant à la diminution de la capacité respiratoire. Ce modèle et les premiers résultats permettront à court terme, d’identifier les autres paramètres significatifs qui caractérisent les actions de particules d’usure aéroportées sur les propriétés mécaniques et physicochimiques des parois alvéolaires. Ceci permettra de connaitre leurs effets sur la capacité pulmonaire. Par conséquent, à plus long terme, cette connaissance permettra de modifier les matériaux en contact et leurs conditions de frottement pour générer des particules satisfaisant les exigences tribologiques et biologiques, donc tribo-bio-compatibles. / Paradoxically, road safety is assured among others by the production of wear particles! Thus, almost 20 000 tons of brake linings are worn each year in France. 9000 tons are airborne wear particles. Due to their size, chemical composition and morphology these particles will interact with the alveolar wall causing pathologies. In these pathologies the most studied is the inflammatory phase that appear after the particle has passed the first protective barrier which is the pulmonary surfactant film. However, very few studies have examined the direct interaction of airborne wear particles with pulmonary surfactant film. These studies are of fundamental interest because, by its physicochemical properties, the pulmonary surfactant film control the respiratory mechanics, hence the pulmonary capacity. In this context, this thesis analyzes the interaction mechanism of model airborne wear particles on the physicochemical and mechanical properties of the alveolar wall and more particularly of pulmonary surfactant film. For this, an ex vivo model of alveolar wall reproducing the composition of the surfactant, its microstructure and the mechanical stresses during the breathing cycles has been developed. This model and the associated measures allowed to develop a method for identifying significant parameters of the particles that determine their interaction with the pulmonary surfactant film. The results showed that the electronegativity of airborne particles is one of the significant parameters which induces changes at different scales ranging from molecular conformation (nano), microstructure (micro) and mechanical properties (macro) of the alveolar wall, leading to the diminution of the pulmonary capacity. This model and the first results will allow, at short term, to identify other significant parameters which characterize the actions of airborne wear particles on mechanical and physicochemical properties of alveolar walls, allowing to know their effects on lung capacity. Therefore, at longer term, this knowledge will permit to change the materials in contact and their friction conditions to generate wear particles satisfying tribological and biological requirements, so tribo-bio-compatibles.

Le traitement endovasculaire des anévrismes de l’aorte (Endovascular Aneurysm Repair ou EVAR) est une chirurgie mini-invasive qui consiste à faire glisser une endoprothèse par voie fémorale jusqu’au niveau de l’anévrisme afin de re-canaliser le flux sanguin. Les principales complications qui peuvent survenir sont les phénomènes de migration et d’endofuites (écoulement persistant de sang dans le sac anévrismal) de type Ia. Ces phénomènes apparaissent lorsque l’étanchéité n’est plus assurée entre l’extrémité proximale de l’endoprothèse et le vaisseau sanguin. Dans ce travail, des simulations paramétrées de déploiement complet d’un système de pose de stent ont été développées en utilisant la Méthode des Éléments Finis (FEM) afin d’étudier la stabilité du contact lors du largage d’une endoprothèse en nitinol dans un Anévrisme de l’Aorte Thoracique (AAT) réaliste. Les facteurs suivants associés à ces complications ont été étudiés : (1) la longueur de la zone de fixation proximale (PASL), (2) la valeur de surdimensionnement ou « oversizing » du stent (O %), (3) la valeur du coefficient de frottement entre le stent et l’aorte (µ) et (4) l’angulation du collet proximal. L’influence de la présence de calcifications sur le comportement biomécanique de l’endoprothèse lors de son déploiement dans les zones de fixation a également été analysée. Les résultats des simulations ont montré qu’une PASL supérieure à 18 mm est un facteur décisif pour éviter la migration de l’endoprothèse pour une angulation du collet de l’anévrisme de 60° et dans des conditions de contact glissant (µ=0,05). L’augmentation de la valeur de l’oversizing de 10 % à 20 % améliore la résistance de la fixation de la prothèse. En revanche, un oversizing supérieur à 25 % pour une angulation du collet de 60° entraine des déformations excentriques ainsi que la ruine du stent. D’autre part, aucune migration n’a été observée dans un modèle d’aorte idéalisé où l’angulation du collet était de 0°, la PASL de 18 mm et le coefficient de frottement µ de 0,05. Afin d’améliorer le contact et de prévenir l’apparition de phénomènes de migration et d’endofuite de type Ia chez des patients présentant une aorte tortueuse et calcifiée avec un anévrisme fortement angulé, un nouveau design de stent a été proposé, basé sur les résultats des simulations numériques effectuées. La principale difficulté était de trouver un compromis entre flexibilité et raideur. Les résultats des simulations réalisées avec ce nouveau stent ont montré une amélioration de la stabilité de contact, ce qui a pour effet de limiter l’apparition des phénomènes de migration et donc de réduire les complications liées à la procédure endovasculaire. / The main mechanical related problems of endovascular aneurysm repair are migration and endoleak type Ia. They occur when there is no effective seal between the proximal end of stent-graft and the vessel. In this work, we have developed parameterized-deployment simulations of a complete stenting system using finite element method (FEM) to investigate the contact stiffness of a nitinol stent in a realistic Thoracic Aortic Aneurysm (TAA). Therefore, the following factors associated with these complications have evaluated: (1) Proximal Attachment Site Length (PASL), (2) stent Oversizing value (O %), (3) different contact friction situations (stent/aorta) and (4) proximal neck angulation. The calcification impact on the biomechanical behaviour of the deployment at the attachment zone has also been investigated. The simulation results showed that PASL>18mm was a crucial factor to prevent migration at a neck angle of 60⁰and smoothest contact condition (μ=0.05). The increase in (O %) ranging from 10% to 20% improved the fixation strength; however, O % ≥ 25% at 60° caused eccentric deformation and stent collapse. No migration was reported in an idealized aorta model with a neck angle of 0⁰, PASL=18mm and μ=0.05. The numerical observations are used as a guide to optimize the stent design in such neck morphology to strengthen the contact and prevent migration or endoleak type Ia. The optimized stent results showed better contact stability to resist the migration. They also showed a good compromise of stent design requirements (flexibility and stiffness). Moreover, the new design can also prevent the risk of folding or collapse of stent struts by mitigating the energy of eccentric deformation caused by high angulation and oversizing.

Les microcapteurs implantables sont des outils de choix pour l’étude du système nerveux central. Ils permettent d’analyser en temps réel la composition du milieu interstitiel du cerveau et les variations de concentration de neurotransmetteurs et de substrats métaboliques dans l’espace extracellulaire. La procédure d’immobilisation de l’enzyme sur l’électrode est une étape cruciale déterminant les performances du biocapteur. Nous avons développé une méthode d’immobilisation simple, non-toxique et peu chère en utilisant une molécule de poly(ethyleneglycol) diglycidyl éther (PEGDE) qui répond bien aux critères des applications cliniques. La méthode a été étudiée et optimisée sur trois enzyme: la Glucose oxydase, la D-amino acide oxydase et la Glutamate oxydase. Les capteurs développés se caractérisent par une forte sensibilité et un temps de réponse suffisamment court pour la détection des événements biologiques en temps réel. Les capteurs à base de PEGDE ont démontrés une bonne stabilité dans le temps et leur capacité de suivre en temps réel la variation de concentration de glucose dans le SNC du rat suite à l’injection d’insuline ou de glucose. Nous avons également adapté les méthodes d’immobilisation d’enzyme les plus utilisées dans le domaine des neurosciences: immobilisation par réticulation dans des vapeurs de Glutaraldéhyde ou par PEGDE, piégeage dans une matrice de sol-gel ou de polypyrrole dérivé, ou immobilisation dans une matrice d’hydrogel. Nous avons comparé les biocapteurs ainsi obtenus en termes de sensibilité, de stabilité in vivo, de temps de réponse et aussi de toxicité. Cette étude comparative nous a permis de conclure que le PEGDE représente un procédé d’immobilisation optimal car il ne demande pas de synthèse organique, contrairement à l’hydrogel, il n’est pas toxique contrairement au glutaraldehyde et il assure une immobilisation covalente plus stable que le piégeage dans des sol-gel ou polypyrrole. Cette étude comparative a mis également en évidence l’effet de la procédure de fixation de l’enzyme sur la spécificité du biocapteur. Nous avons montré que l’immobilisation par glutaraldehyde provoque une importante perte de sélectivité de l’enzyme. Quant au PEGDE, son immobilisation est assez douce pour préserver la spécificité naturelle de l’enzyme. Nous avons montré que la procédure d’immobilisation a un impact important sur la quantification des molécules dans les échantillons biologiques et in vivo. La validité des mesures sur nos capteurs a été contrôlée par HPLC ou électrophorèse capillaire. Nous avons également développé des sondes multisensibles en utilisant les techniques de microfabrication sur silicium. Le dispositif comporte une aiguille de 6mm en longueur, 100µm en largeur et 50 µm en épaisseur. Elle porte trois électrodes de taille 40x200µm. Ces dispositifs, optimisés pour réduire les effets d’interférence entre les électrodes, ont été pour le suivi simultané de glucose et lactate dans le SNC de rats anesthésiés. / Identification, monitoring and quantification of biomolecules in the CNS is a field of growing interest for identifying biomarkers of neurological diseases. In this thesis, silicon needle-shaped multi-molecules sensing microprobes were developed. Our microelectrode array design comprises a needle length of 6mm with 100x50 µm2 cross-section bearing three platinum electrodes with a size of 40x200 µm and 200µm spacing between them. We have used these microprobes for simultaneous glucose and lactate monitoring, using the third electrode for control of non-specific current variations. Local microdroplet protein deposition on the electrode surface was achieved using a pneumatic picopump injection system. Enzyme immobilization on the electrode surface is a key step in microelectrode biosensor fabrication. We have developed a simple, low cost, non-toxic enzyme immobilization method employing poly(ethyleneglycol) diglycidyl ether (PEGDE). Successful biosensor fabrication was demonstrated with glucose oxidase, D-amino acid oxidase, and glutamate oxidase. We found that these biosensors exhibited high sensitivity and short response time sufficient for observing biological events in vivo on a second-by-second timescale. PEGDE-based biosensors demonstrated an excellent long-term stability and reliably monitored changes in brain glucose levels induced by sequential administration of insulin and glucose solution. We then carried out a comparative study of five enzyme immobilization procedures commonly used in Neuroscience: covalent immobilization by cross-linking using glutaraldehyde, PEGDE, or a hydrogel matrix and enzyme entrapment in a sol-gel or polypyrrole-derived matrices. Enzymatic microelectrodes prepared using these different procedures were compared in terms of sensitivity, response time, linear range, apparent Michaelis-Menten constant, stability and selectivity. We conclude that PEGDE and sol-gel techniques are potentially promising procedures for in vivo laboratory studies. The comparative study also revealed that glutaraldehyde significantly decreased enzyme selectivity while PEGDE preserved it. The effects that immobilization can have on enzyme substrate specificity, produce dramatic consequences on glutamate detection in complex biological samples and in the CNS. Our biosensor’s results were systematically controlled by HPLC or capillary electrophoresis. The highly selective PEGDE-based biosensors allowed accurate measurements glutamate concentrations in the anesthetized and awaked rats at physiological conditions and under pharmacological and electrical stimulations. The microfabricated multielectrodes based on silicon needles coupled to the simple, non-toxic and mild immobilization method based on PEGDE, open new possibilities for specific neurotransmitter detection in the central nervous system and the study of cell-cell communication in vivo.

Afin de mieux comprendre le comportement mécanique de l’os trabéculaire et d’améliorer la prédiction du risque de fracture, l’objectif de cette thèse est de développer un modèle numérique « bio-fidèle » prenant en compte l’hétérogénéité tissulaire, et de déterminer les contraintes mécaniques au sein des travées osseuses, dans le domaine de déformation élastique. À l’échelle tissulaire, une étude par nanoindentation a permis de dissocier les comportements élastiques et plastiques de l’os en fonction de sa composition (minéral/collagène). Ainsi, le comportement élastique du tissu osseux serait principalement lié à sa quantité de minéral alors que ses propriétés plastiques seraient davantage liées à la phase organique. Une loi reliant le degré de minéralisation de l’os (DMB) au module élastique a été déterminée dans l’os humain. La création d’un modèle numérique reproduisant de manière rigoureuse le comportement élastique de l’os trabéculaire, nécessite la prise en compte de l’hétérogénéité de la quantité de minéral (DMB) et donc son acquisition en 3D. Grâce à une méthode de recalage d’image 2D/3D, les acquisitions de microtomographie ont été comparées aux valeurs obtenues par microradiographie quantitative, méthode de référence de mesure du DMB. Sous certaines conditions, la microtomographie permet une évaluation correcte de l’hétérogénéité minérale. La création et l’analyse d’un modèle numérique par éléments finis de l’os trabéculaire, à partir des images de tomographie, a montré l’importance des paramètres du modèle (taille et formulation des éléments) ainsi que le rôle de l’hétérogénéité minérale sur l’évaluation des contraintes locales appliquées aux travées osseuses. / Finite element modeling has become more and more suitable to estimate the mechanical properties of trabecular bone. Such models tend to be used to evaluate bone fracture risk. The main goal of this study was to create a bio-faithful model of trabecular bone to evaluate elastic stresses fields in trabeculae. In a first part, a nanoindentation study lead to a dissociation of elastic and plastic behavior of bone tissue, depending of its composition (mineral/collagen). At osteon level, bone elastic behavior mainly depends on mineral quantity whereas its plastic behavior mainly depends on collagen maturity. The relation between degree of mineralization of bone (DMB) and elastic modulus have been determined for human bone. The purpose of second part of the study was to evaluate DMB heterogeneity inside a 3D model of trabecular bone. Using 2D/3D registration, we compare the results obtain with high resolution microtomography to those from quantitative microradiography, the goldstandard method used to measure DMB. We prove that it was possible to obtain a good evaluation of mineral heterogeneity in trabecular bone by tomography. The last part of this study, is dedicated to the creation of a finite element model of trabecular bone. After analyzing the influence of finite element modeling parameter on the assessment of mechanical response (size and element formulation), we showed that the integration of mineral heterogeneity at the tissue level lead to strong modifications of stress fields in bone trabeculae. The results of this study prove that bone mineral heterogeneity is an important parameter and should be taken into account when evaluating trabecular bone mechanical properties.

Afin d’améliorer l’efficacité des traitements des pathologies articulaires, en tenant compte de leur complexité et de leur ampleur, des études récentes ont mis en évidence le rôle des assemblages lipidiques associés à la structure discontinue du fluide synovial dans le contrôle du fonctionnement tribologique articulaire. Ceci à conduit à la mise au point d’un modèle tribologique ex vivo (thèse AM Sfarghiu, 2006), proposant un « motif élémentaire » de la biolubrification articulaire, constitué de l’empilement d’interfaces phospholipidiques et de couches aqueuses. En utilisant ce modèle, l’objectif de ce travail a été d’étudier l’évolution des interfaces phospholipidiques du fluide synovial en présence de pathologies. Pour ce faire, une méthodologie nano-bio-tribologique alliant des analyses biochimiques, physicochimiques, nano-mécaniques et tribologiques a été utilisée. Les résultats de ces analyses montrent : l’influence de la faible rugosité des surfaces frottantes caractérisant les stades précoces des pathologies et celle des propriétés des interfaces phospholipidiques (liées à la variation de leur composition) sur la résistance mécanique, l’évolution au cours du frottement et la dégradation in situ des assemblages lipidiques des fluides synoviaux pathologiques. Le comportement des assemblages lipidiques est accentué par l’action des enzymes associées aux pathologies. Par conséquent, le fonctionnement articulaire dépend de la résistance mécanique des interfaces phospholipidiques et pour obtenir des coefficients de frottement très bas, l’accommodation de vitesse doit s’effectuer au niveau des couches d’hydratation qui entourent les ions présents dans la couche aqueuse. Ces résultats permettront de comprendre à court terme l’évolution des interfaces phospholipidiques dans les pathologies articulaires et, à plus long terme le bon enchaînement cause/conséquence responsable d’une pathologie articulaire afin de développer des traitements plus efficaces, ciblés et non prothétiques. / In order to improve the effectiveness of joint diseases’ treatments, given their complexity and magnitude, recent studies have highlighted the role of lipid assemblies associated with the discontinuous structure of the synovial fluid (SF) in the tribological performance of joint operation. Thus, an ex vivo tribological model (AM Sfarghiu, PhD thesis, 2006) providing a "basic pattern" for joint biolubrification was developed. It consists of the stack of phospholipidic interfaces and aqueous layers. Using this model, the objective of this work was to study the evolution of phospholipidic interfaces of SF within pathological state. Therefore, a nano-bio-tribological methodology combining biochemical, physicochemical, nano-mechanical and tribological analysis was used. The results of these analyses show: the influence of even small rubbing surfaces’ roughness characteristics of early stage illness and that of phospholipidic interfaces’ properties (related to their composition change) on the mechanical strength, changes in friction and in situ degradation of lipidic assemblies of pathological SF. The tribological operation is highlighted by enzymes’ associated with diseases. Thus, joint operation depends on the mechanical strength of phospholipidic interfaces and to obtain very low friction coefficients, velocity accommodation must be done at the level of hydration layers surrounding ions in the aqueous solution. These results would therefore allow better understanding of the evolution of phospholipidic interfaces in joint diseases and of the proper cause/consequence sequence responsible for a joint disease in order to develop more effective, targeted and non prosthetic treatments.