Récemment, dans le domaine de la reconstruction tissulaire, des substituts osseux ou scaffold, ont été utilisés comme alternative aux autogreffes. La complexité de l'ostéogenèse au sein d'une structure poreuse rend son observation expérimentale difficile et par conséquent le développement et l'optimisation des scaffolds sont loin d'être achevés. En complément d'expérimentations animales, il est donc nécessaire de développer des modèles numériques afin de mieux comprendre ce processus. L'objectif de ce travail était de développer un modèle numérique capable de reproduire l'ostéogenèse au sein d'un scaffold poreux en titane, implanté sur la partie non dentée d'une hémimandibule de brebis durant 12 semaines. Cette thèse était donc basée sur une approche à la fois expérimentale et numérique, ce qui constituait l'élément clé du projet. En effet, la plupart des modèles existants n'ont pas été validés expérimentalement ou l'ont été à l'aide d'expérimentations réalisées sur de petits animaux (i.e. lapin, rat) puisque leur taille et leur coût facilitaient le protocole. Néanmoins, contrairement au mouton, leurs processus de régénération osseuse sont très éloignés de celui de l'homme. L'étude a été organisée en trois tâches. Tout d'abord, les expérimentations animales ont été réalisées en collaboration avec le Dr Thomas Schouman (Hôpital de la Pitié-Salpêtrière), et OBL, une PME française fabriquant les scaffolds en titane. Puis, un modèle numérique en éléments finis décrivant l'activité cellulaire au sein du scaffold durant les 12 semaines d'implantation a été conçu. Enfin, des examens histologiques et micro-tomographiques et des tests mécaniques réalisés sur chaque hémimandibule explantée ont permis de: i) quantifier le pouvoir ostéo-conducteur du scaffold en titane et ii) valider le modèle numérique d'ostéogénèse. / Recently, in the tissue reconstruction field, bone substitutes or scaffolds have been used as an alternative to autograft. The complexity of osteogenesis within a scaffold makes its experimental observation difficult and the development and optimization of scaffolds are thus far from being complete. In addition to animal experiments, it is then necessary to develop numerical models to better understand such process. The objective of this work was to develop a numerical model able to reproduce osteogenesis within a porous titanium scaffold implanted on the non-toothed part of a ewe hemimandible for 12 weeks. Therefore, this thesis was based on both an experimental and a numerical approach, which constituted the key element of the project. Indeed, most of the existing models have not been validated or have been validated using experiments performed on small animals (i.e. rabbit, rat) since their size and cost make the protocol easier. Nevertheless, unlike the sheep, their bone regeneration process is quite different from human's. The study was organized into three tasks. First, animal experiments were carried out in collaboration with Dr. Thomas Schouman (Pitié-Salpêtrière hospital) and OBL, a french company manufacturing the porous titanium scaffolds. Then, a numerical model describing cellular activity within the scaffold during the 12 weeks of implantation was developed. Finally, histological and micro-tomographic analyses and mechanical tests performed on each hemimandible have enabled to: i) quantify the osteoconductive potential of the scaffold and ii) validate the numerical results.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal. / L'analyse de la biocinématique tridimensionnelle du genou est nécessaire à une bonne compréhension de l'état du genou et au rétablissement de sa fonction après une blessure. Le système Geni (pour Genou Non-Invasif) développé au sein du groupe de recherche en Biomécanique et Biomatériaux permet de mesurer cette biocinématique. Le système enregistre le mouvement du tibia par rapport au fémur grâce à des capteurs magnétiques de mouvement fixés à la jambe. Le système permet d'exprimer le mouvement de ces capteurs suivant une convention clinique établie et naturelle : flexion-extension, abduction-adduction, rotation tibiale interne-externe et translations le long d'axes médio-latéral, antéropostérieur et proximo-distal. Pour exprimer le mouvement du genou sous la forme d'indices cinématiques suivant cette convention, une définition d'axes cinématiques sur modèle numérique virtuel ainsi qu'un calibrage de ce modèle numérique sur le genou réel sont nécessaires avant chaque expérimentation. Ces opérations peuvent engendrer des erreurs qui se répercutent nécessairement sur la valeur des indices cinématiques. Afin de caractériser l'importance de ces erreurs et leur répercussion sur les résultats d'analyse cinématique, il a fallu dans un premier temps identifier et quantifier les principales sources d'erreur associées au système lorsqu'il est utilisé dans deux contextes différents : expérimentation in vitro sur pièce cadavérique et expérimentation in vivo sur sujet. Il a ainsi été déterminé que l'utilisateur génère une erreur plus importante dans le contexte in vivo que dans le contexte in vitro, principalement à cause de la difficulté d'identification des repères anatomiques utilisés pour définir les axes cinématiques. Ainsi, il a été déterminé que les mesures sont plus précises sur le modèle virtuel de l'os (0.23 mm et 1.37 mm respectivement pour des points facilement et difficilement identifiables) que sur le genou réel (1.9 mm et 7.0 mm respectivement pour des points facilement et difficilement identifiables). Dans un second temps, il a été possible d'estimer l'effet de ces erreurs sur le calcul des indices cinématiques. En expérimentation in vitro, une erreur moyenne de 2 degrés est obtenue pour la mesure des indices cinématiques de rotation et c'est l'étape d'identification des axes cinématiques sur les modèles virtuels qui est la source la plus importante de cette erreur. En expérimentation in vivo, une erreur moyenne de 10 degrés est obtenue pour la mesure des indices cinématiques et c'est l'identification de repères de calibrage qui est la principale source de cette erreur. Il a aussi été démontré que les résultats des expérimentations in vivo ne sont pas comparables d'une expérimentation à l'autre. Diverses avenues possibles afin d'améliorer la reproductibilité inter-expérimentale de ces résultats sont abordées.