Le cartilage articulaire est composé de chondrocytes et d'une matrice extracellulaire organisés de manière stratifiée dans l'épaisseur du tissu. Ce tissu ne se régénère pas de manière efficace après une lésion. L'objectif de ce travail est de construire par pulvérisation des hydrogels à base d'alginate et de film multicouches de polyélectrolytes pour créer in vitro un néotissu pouvant combler des lésions de cartilage articulaire. La méthode a été validée en observant une bonne viabilité et une synthèse matricielle par les cellules, et de meilleures propriétés mécaniques des hydrogels pulvérisés à 0,9 bar par rapport au moulage. Après la pulvérisation de cellules souches mésenchymateuses, les résultats ont montré une bonne viabilité et une différenciation des cellules. Puis, des hydrogels bistratifiés ont été construits et cultivés jusqu'à 56 jours sans dissociation des couches et sans migration des cellules. Enfin, les hydrogels ont été fonctionnalisés en modifiant la composition des couches et en y appliquant des stimulations mécaniques. Les propriétés mécaniques des hydrogels varient en fonction de leur composition et sont meilleures pour ceux stratifiés. De plus, leur stimulation mécanique a permis de potentialiser l'effet du biomatériau sur la différenciation des cellules. En conclusion, cette étude montre que des cellules souches mésenchymateuses ensemencées dans un hydrogel bistratifié pulvérisé sont fonctionnelles en termes de différenciation chondrocytaire et de synthèse matricielle. Les propriétés mécaniques des hydrogels stratifiés ne sont pas altérées. De plus, la stimulation mécanique a potentialisé la différenciation des cellules / The articular cartilage is composed of chondrocytes and of a specific extracellular matrix which are organized depth-dependently. The tissue did not have an efficient self-renewal of defects. The purpose of this study is to build up layer-by-layer a stratified hydrogel by alternating gels and multilayers polyelectrolytes film spraying, in order to obtain a neotissu in vitro to fill lesions. First, the process was validated by observing a good cells viability and matrix synthesis, and stronger mechanical behaviors of sprayed hydrogels compared to molded one. Secondly, after their spraying, mesenchymal stem cells still have a good viability and their differentiation potential. Then, bistratified scaffolds were built up and cultured up to 56 days without layers dissociation and without cells migration between layers. Finally, scaffolds were functionalized by changing biomaterial composition and by applying mechanicals stimulations. Results show us not only that the composition influences the mechanical behavior of the hydrogel, but that the stratification did not affect it. Furthermore, mechanicals stimulations improve stem cells differentiation in function of biomaterials compositions. In conclusion, this study proves not only that we are able to build up stratified scaffold seeded with mesenchymal stem cells which still have their differentiation capability and synthesize matrix, but that mechanical behaviors are improved after the biomaterial spraying and not alter by the stratification. Moreover, mechanical stimulation applied to the scaffold improves the differentiation of mesenchymal stem cells to a chondrogenic phenotype

En ingénierie tissulaire, les biomatériaux, les cellules et l'induction de la différenciation, sont des facteurs à prendre en compte. L'objectif de cette étude est de connaitre l'effet de la nature des biomatériaux et leurs propriétés mécaniques sur la différenciation des cellules souches mésenchymateuses de la moelle osseuse. Dans un premier temps, nous avons étudié l'effet d'un biomatériau de nature protéique (le collagène de type I) supplémenté en microparticules d'hydroxyaptatite (HAP). Nous avons constaté que l'ajout d'HAP améliore les propriétés mécaniques de ce biomatériau et engage la différenciation des cellules vers des phénotypes ostéoarticulaires. Dans un deuxième temps, nous avons étudié l'effet d'un biomatériau à base d'alginate supplémenté par de l'acide hyaluronique ou des microparticules d'HAP, en utilisant un plan d'expériences pour choisir les matrices convenables pour l'étude biologique en fonction de leurs propriétés mécaniques. Nous avons constaté que les composants de ce biomatériau ont un effet sur l'élasticité de ce dernier et sur la différenciation des cellules souches mésenchymateuses. En conclusion, cette étude montre que les cellules souches mésenchymateuses sont sensibles à la composition du biomatériau et ses propriétés mécaniques / In tissue engineering, biomaterials, cells and the induction of cell differentiation are factors to be studied. The aim of this study is to know the effect of biomaterials composition and mechanical properties on the differentiation of mesenchymal stem cells from bone marrow. At first, we studied the effect of a protein biomaterial (collagen type I) supplemented with hydroxyaptatite (HAP) particles. We found that the addition of HAP improves the mechanical properties of the biomaterial and conditione cell differentiation towards osteoarticular lineages. In a second step, we studied the effect of biomaterial composed of alginate supplemented with hyaluronic acid or HAP particles, using an experimental design to select suitable matrices for biological study based on their mechanical properties. We found that the components of this biomaterial have an effect on elasticity of the latter and the differentiation of mesenchymal stem cells. In conclusion, this study shows that mesenchymal stem cells are sensitive to the composition of the biomaterial and its mechanical properties

L’étude présentée porte sur le développement d’un modèle numérique destiné à évaluer les performances balistiques d’une structure multicouche polymère/métal frittée par procédé SPS. Les matériaux sont un alliage d’aluminium 7020 et un polyimide thermoplastique amorphe qui sont ensuite assemblés avec une résine epoxy. Le comportement mécanique de ces trois matériaux a été étudié sur de larges gammes de vitesses de déformations (de 0.0001 /s à 50.000 /s) et de températures (de -70°C à 500°C) correspondant aux conditions extrêmes rencontrées lors d’impacts à hautes vitesses. Afin d’améliorer la précision des résultats, des approches analytiques ont été développées autant pour la modélisation du métal que pour celle les polymères. Après la calibration des modèles, ces derniers ont été implémenté dans ABAQUS®/Explicit (éléments finis) via des subroutines VUMAT en code FORTRAN. Des essais d’impacts de billes à hautes vitesses ont été réalisés sur des cibles monocouches pour valider les modèles numériques. De nombreuses configurations de composites multicouches ont ensuite été étudiées numériquement et leurs performances balistiques ont été comparées. / The present study deals with the development of a numerical model to evaluate the ballistic performance of a polymer/metal multilayer structure sintered by SPS. The materials are an aluminum alloy 7020 and an amorphous thermoplastic polyimide which are then assembled using an epoxy resin. The mechanical behavior of these three materials has been studied over wide ranges of strain rates (from 0.0001 / s to 50,000 / s) and temperatures (from -70 °C to 500 °C) corresponding to the extreme conditions encountered during impacts at high velocities. In order to improve the accuracy of the results, analytical approaches have been developed both for the modeling of the metal and for the polymers. After the calibration of the models, these models were implemented in ABAQUS® / Explicit (finite elements) via VUMAT subroutines in FORTRAN code. Ball impact tests at high velocities were performed on monolayer targets to validate numerical models. Numerous configurations of multilayer composites were then studied numerically and their ballistic performances have been compared.

Dans un contexte politique où les enjeux énergétiques et environnementaux sont de plus en plus importants, il faut favoriser les techniques économes en énergie et plus respectueuse de l'environnement. Parmi ces pratiques, l'utilisation d’enrobés à l’émulsion de bitume s'est révélée être prometteuse. La fabrication et la conception d’une chaussée comprenant une couche d’enrobé à l’émulsion sont très empiriques et reposent sur des compétences locales qui tendent à en limiter le développement. La première étape pour concevoir une chaussée consiste à connaître le comportement mécanique réversible engendrées par de lourd trafic de chaque matériau qui la compose. Lors d'une deuxième étape, ces valeurs doivent être comparées aux critères de durabilité mécanique des matériaux. Dans le cas de l'enrobé à l’émulsion, aucune loi de comportement mécanique n'a été établie pour tenir compte à la fois de son états frais et durcis. Ce travail de thèse vise donc à pallier à ce manque et à améliorer les connaissances acquises sur ce matériau. Pour cela, un modèle évolutif pour l’enrobé à l’émulsion intégrant l'évolution du matériau de son état frais à l'état durci a été développé. De plus, un nouvel essai de caractérisation a été développé et mis en place pour permettre de suivre l’évolution des performances mécaniques réversibles du matériau. Les résultats obtenus à partir des différentes campagnes d’essais ont permis de caler le modèle et de montrer la pertinence du modèle. / Given a political context in which energy and environmental stakes have become increasingly dominant, road engineering practices have favoured saving energy and protecting the environment. Among these practices, the use of cold mixes treated with bitumen emulsion has proven to be a suitable technique. Cold mix design however, as well as the design of pavements including cold mix asphalt layers, is highly empirical and based on local skills. From prior experience, the transposition of established local rules from one site to another and their application to medium or heavy traffic pavements are not simple steps and tend to limit the development of this environmentally-friendly pavement technique. The first step in designing a pavement consists of knowing the stress-strain relationship of its constitutive materials in order to determine the stresses and strains generated by heavy lorry traffic. During a second step, these values must be compared with the mechanical durability of materials by reliance on damage tests comprising large numbers of load cycles. In the case of CMA, no mechanical behaviour law has been established to take into account both the fresh and cured states. This work aims to improve the knowledge acquired on this material. For this, an evolutiv model for the cold mix asphalt with bitumen emulsion incorporating the evolution of the material from its fresh state to its cured state has been developed. In addition, a new characterization test was developed and put in place to monitor the evolution of the reversible mechanical performance of the material. The results obtained from the test campaigns helped to calibrate the model and show the relevance of the model.

Un modèle numérique basé sur des techniques de dynamique moléculaire a été développé pour étudier le comportement mécanique d'ensembles de fibres enchevêtrées. Pour limiter le nombre de degrés de liberté, les fibres sont discrétisées en une suite de segments. Le modèle permet de prendre en compte des paramètres géométriques (fraction volumique, facteur de forme, distribution d'orientation...) et des paramètres « matériaux » (flexibilité, frottement aux contacts...). Les comportements macroscopiques d'ensembles de fibres orientées aléatoirement ont été identifiés en fonction de ces paramètres, enrichissant ainsi les lois d'échelles simples de la littérature. Des informations microscopiques telles que l'évolution du nombre de contacts en fonction des sollicitations (compression isostatique, cisaillement) ont également pu être obtenues numériquement. Ceci a notamment permis de valider des techniques d'analyse d'image, ensuite appliquées à des images de tomographie aux rayons X de laines d'acier.

Les applications des fibres Polyamide 66 (PA66) dépassent largement le seul marché textile et offrent aujourd'hui des solutions techniques dans des industries de pointe telles que le renforcement pneumatique, la sérigraphie, etc. L'impact de la microstructure sur les performances mécaniques - i.e. rigidité et ténacité - constitue un axe de recherche dans lequel s'inscrit cette étude. A travers divers filaments techniques, il s'agit d'identifier les paramètres microstructuraux pertinents pilotant le comportement mécanique en traction et d'incriminer les entités responsables de l'initiation des mécanismes d'endommagement et de rupture. Le couplage d'analyses in situ, de l'échelle microstructurale (diffraction des rayons-X, micro-spectroscopie Raman) à l'échelle mécanique traction monotone, compression transverse, relaxation, suivi des cinétiques de fissuration sub-critiques), et à l'appui l'outil numérique (simulation par éléments finis), a permis de donner un éclairage sur les micro-mécanismes de déformation et d'endommagement. Un seuil viscoplastique, attribué au glissement entre macrofibrilles, a été démontré. En outre, un gradient de propriété dans la section de la fibre a été mis en évidence et a révélé un état de contrainte résiduel comparativement plus faible dans les zones périphériques de la fibre qu'à cour. Deux approches numériques de la rupture ont été menées: tout d'abord une approche évaluant le paramètre JIC et, une seconde approche, plus locale, propose un traitement statistique de la rupture basée sur la distribution des contraintes en pointe de fissure.

La capillarité dans un milieu granulaire est étudiée aux échelles locale et macroscopique dans le cas 3D polydisperse. A l'échelle locale, un modéle explicite de cohésion par capillarité est proposé. Il comprend une loi de comportement et un critère de rupture locaux fonctions des caractéristiques du doublet. La pertinence du modèle est vérifiée expérimentalement sur des billes de verre. Il est implémenté dans un code de calcul en éléments discrets, en association avec une gestion numérique de la répartition de l'eau dans le milieu. Des essais de compression sont réalisés numériquement et expérimentalement. Leur concordance a permis de valider l'approche en éléments discrets dans le cas de la capillarité, et d'envisager l'étude du comportement macroscopique des matériaux granulaires humides. Enfin, l'influence de certains couplages est abordée afin de montrer la sensibilité de la cohésion par capillarité aux conditions environnementales ainsi que les possibilités offertes par le code

Les polymères naturels présentent de plus en plus une alternative crédible pour de nombreuses applications techniques et biomédicales. Ils possèdent des qualités de modularité, de durabilité, souvent de biocompatibilité, qui leurs sont propres. Mais la compréhension détaillée des mécanismes qui gouvernent le comportement de tels matériaux est difficile et reste souvent incomplète. Cette étude a cherché à mieux comprendre le lien qui existe entre le comportement mécanique et la microstructure pour la fibre de soie. Une caractérisation minutieuse du comportement mécanique a donc été effectuée par des moyens parfois originaux comme l'association entre une machine de traction et une observation en microscopie électronique. Il a ainsi été montré l'aspect composite du fil de soie industriel et l'importance des différents éléments constitutifs de la soie. Le comportement de la fibre a également été décrit dans différentes conditions atmosphériques d'humidité et de température. Cette caractérisation s'est accompagnée d'une description de la microstructure en utilisant des techniques telles que la diffraction aux rayons X et la spectrométrie Raman. Notamment, la spectrométrie Raman a pu être associée à une traction in situ. Ceci a permis d'établir des liens entre mécanique et microstructure. Il a ainsi été prouvé notre capacité à modifier la microstructure et le comportement mécanique de la soie par voie biotechnologique en modifiant le génome du Bombyx mori. Ce qui ouvre une nouvelle voie d'innovation prometteuse pour améliorer ce type de matériau. Enfin, une modélisation simple mais robuste basée sur une description physique du matériau a permis de valider les avancées faites quant à la compréhension de ce polymère. Le comportement en environnement contrôlé a été étudié. Ces résultats pourraient alimenter des études numériques sur des assemblages, plus proches du produit fini.

Dans le cadre de la mise au point des nouveaux réacteurs de la Génération IV, la France s'attache notamment à la conception du Very High Temperature Reactor, qui prévoit l'utilisation de matériaux devant résister à plus hautes températures et plus longtemps. Parmi les matériaux existants, AREVA a fait le choix de déterminer le comportement mécanique du Grade 91 (Fe-9Cr-1Mo-Nb-V) pour équiper les gros composants. Ces gros composants sont des structures soudées, si bien que les soudures, points faibles potentiels, doivent être étudiées. Les trois partenaires industriels (AREVA, CEA, EDF) ont lancé une étude commune en octobre 2005 avec le Centre des Matériaux sur le fluage d'un Grade 91, métal de base et joint soudé, à 500°C pour des durées d'exposition allant jusqu'à 4500 h. <br /><br /> Des essais de vieillissement thermique, de traction et de fluage à 450°C et 500°C, sur du métal de base et du joint soudé ont été réalisés. Différentes géométries d'éprouvettes de fluage de joint soudé ont été testées. Aucune évolution significative de la microstructure n'a été constatée en termes de nature et de taille de précipités et de dimension de la sous-structure par rapport à la microstructure avant essai. Peu d'endommagement par cavitation a pu être mis en évidence. Le mécanisme qui conduit à la ruine finale du matériau après fluage est de type viscoplastique à 500°C, contrairement à 625°C où l'endommagement par cavitation est la cause principale de la rupture des éprouvettes de fluage pour les temps d'exposition les plus longs.<br /><br />A partir des courbes expérimentales de fluage du métal de base et du joint soudé entier, un modèle phénoménologique de comportement de type Norton à 500°C est proposé. L'exposant de Norton du métal de base est de 19, alors que celui du joint soudé entier est de 18. Ces valeurs suggèrent la présence de contraintes internes et indiquent que le glissement des dislocations peut être le mécanisme qui contrôle la déformation par fluage. Les éprouvettes de joint soudé cassent dans le métal fondu en fluage et dans le métal de base en traction. La zone affectée thermiquement n'a pas de rôle visible dans la résistance de la structure à 500°C, du moins jusqu'à 4500 h. De ce fait, une décomposition en série du comportement en fluage du joint soudé entier peut être faite à l'aide de ceux du métal fondu et du métal de base. Connaissant le comportement du métal de base et du joint soudé entier, il est possible d'ajuster les paramètres du modèle au métal fondu. Une autre méthode d'ajustement des paramètres du métal fondu est également proposée à partir des essais sur une géométrie amincie contenant uniquement du métal fondu. Les résultats de ces modèles sont cohérents avec les données de la littérature. Ce modèle permet de prédire le temps à rupture à plus long terme, en bon accord avec des résultats du CEA, avec des outils simples de modélisation.

Les objectifs de notre travail de recherche sont de contribuer à l'amélioration de la connaissance du comportement mécanique des sols grossiers à matrice, et de proposer une procédure rationnelle de caractérisation de leur comportement mécanique. En vue d'atteindre ces objectifs, il est important de comprendre l'effet des gros éléments dans ces sols. Pour cela, nous travaillerons sur des sols grossiers de référence à matrice sableuse, en vue de mieux comprendre l'effet des inclusions sur le comportement mécanique des mélanges. Ces travaux s'inscrivent dans le prolongement des recherches développées dans le cadre de la thèse de Pedro [2004]. Ces travaux rentrent également dans le cadre du projet de coopération bilatéral franco-libanais CEDRE entre l'ENPC-CERMES et l'Université Libanaise, Faculté de Génie, Beyrouth. (Intro. Auteur)