The management of significant bone defects, delayed and non-union of fractures can be extremely challenging. Development of specific treatment is hindered by an absence of information regarding the molecular events which regulate these processes. In this thesis, a bilateral cancellous bone defect model of the femur and tibia was developed in a rodent and the spatiotemporal profile of TGF-β, BMP 2 and 7, Smads 1, 4 and 5 characterised. Next, the capability of acid solution to augment healing was tested in both a bone defect and in a closed femoral fracture model. Finally, a long term oestrogen deficiency (OVX) rat model of postmenopausal osteoporosis was characterised and the spatiotemporal profiles of IGF-1, IGFR-1, MMP-1, MMP-3, MMP-9, MMP-13, TIMP-1, TIMP-2, BMP-2, BMP-4, BMP-7, TGF-β, Smad4, Smad7, VEGF, Flt-1, Ihh and FGF-2 were compared in femoral osteotomies between OVX and Sham groups. The bilateral cancellous defect model was successfully created with a number of advantages with which to recommend its use in future studies. TGF-β, BMP 2 and 7, Smads 1, 4 and 5 had characteristic spatiotemporal profiles during cancellous bone defect healing suggesting that they have a regulatory role. The results of the acid study were inconclusive and problems with substance delivery and maintenance at the desired site need to be addressed in the future to fully test this hypothesis. No significant differences were detected on histology or three-point mechanical testing between the fracture calluses of acid and control groups. In the final study, OVX rats after six months had significantly increased weight and decreased bone mineral density compared to their sham counterparts. A histological delay in osteotomy healing was observed in the OVX group but no significant differences on tensile testing were seen between OVX and Sham groups up to six weeks. Immunohistochemistry revealed that delayed healing may be due to the down-regulation of IGF-1, BMP-2, 4, and 7 and the up-regulation of MMP-3 in OVX compared to Sham groups. In conclusion, the results of this thesis give some insight into the molecular biology of bone defects and osteoporotic fractures. This information may also be useful in the development of specific treatments aimed at augmenting healing in bone defects and osteoporotic fractures.

Le socle cristallin fracturé, situé à Ploemeur (Bretagne sud, France) est l'objet de ce travail de thèse. L'étude détaillée du socle nécessite une bonne compréhension de la structure interne, à savoir les propriétés intrinsèques, le mode d'écoulement, la densité et la distribution des fractures. Ce travail de thèse est consacré à la caractérisation pétrophysique des formations granitiques. Les propriétés physiques ont été déterminées à partir de l'interprétation des données de mesures de géophysique en forage, des images de paroi du puits et des mesures pétrophysiques réalisées sur carottes en laboratoire. Afin de replacer les mesures dans leur contexte lithologique, une lame mince a été analysée pour chaque mini-carotte. Les formations lithologiques rencontrées dans le socle cristallin de Ploemeur sont des schistes et granites sains et altérés, ces deux lithologies étant séparées par une zone de faille. Les résultats ont montré que les propriétés pétrophysiques des roches étaient fonction à la fois de la variation de la porosité et du degré d'altération des roches et que la topologie de l'espace poreux était fortement dépendante de la porosité. Cette thèse introduit une nouvelle formule entre la résistivité électrique et la porosité. De plus, les mesures en laboratoire sur les échantillons de Ploemeur révèlent que les vitesses sismiques ne sont pas seulement fonction de la quantité de porosité, mais aussi fonction de facteur de forme. Ce dernier a été calculé sur les échantillons du socle de Ploemeur à partir des vitesses acoustiques. Les résultats ont montré que la porosité est de forme fissurale. L'intégration des données issues des images optiques et acoustiques, des mesures de géophysique en forage, et de la description des carottes a permis d'étudier de façon détaillée la géologie et l'hydrodynamique du socle de Ploemeur. L'intégration effective de ces différentes méthodes avec les tests hydrogéologiques ressort comme la meilleure façon de caractériser les fractures et les circulations en eau dans le socle.

Le Sud-est de la Côte d'Ivoire connaît depuis un demi-siècle une baisse exponentielle de sa surface forestière, liée à la déforestation et à l'impact du changement climatique. Les précipitations ont régressé de 15% entre 1937 et 2005 et la température de l'air connaît une légère augmentation de 0,08°C/10 ans. Pour comprendre le mécanisme de la recharge des aquifères, montrer l'impact du changement du climat et du couvert végétal sur les eaux et étudier la minéralisation des eaux de fractures du socle, 3 méthodes sont utilisées : la géochimie, la minéralogie et la télédétection. L'étude d'une image Landsat ETM+ a montré que l'aquifère du socle possède des paramètres géométriques favorables à un écoulement d'eau N-S. La minéralisation des nappes diminue d'amont en aval suivie d'une forte acidification des eaux, dues à un phénomène de dilution et de mise en solution du CO2 du sol. Sur le plan géochimique, l'étude révèle que l'enrichissement des nappes en Na+ et Ca2+ par rapport à K+ et Mg2+ est principalement lié à l'hydrolyse de l'albite pour le Na+ et de l'amphibole et de l'épidote pour le Ca2+. L'évolution du couvert végétal, depuis la période tardi-glaciaire, est marquée d'une augmentation de la teneur en 13C des eaux relativement vieilles (15 000 ans B.P) aux eaux récentes (~ 300-100 ans). La même tendance est constatée sur les teneurs en 18O et 2H des eaux du socle, témoignant ainsi des conditions particulièrement froides au début de la période post-glaciaire par rapport à celles d'aujourd'hui. Cette étude a montré que les eaux souterraines captives du socle sous le CT, ont enregistré les conditions paléoclimatiques de la Côte d'Ivoire des 15 000 dernières années.

Cette thèse porte sur la simulation numérique de modèles couplés pour l'écoulement et le transport dans les milieux poreux. Nous présentons une nouvelle méthode de couplage entre les réactions chimiques et le transport en utilisant une méthode de Newton-Krylov, et nous étudions également un modèle d'écoulement en milieu fracturé qui traite l'intersection des fractures par une méthode de décomposition de domaine. <br /> Ce travail est divisé en trois parties : la première partie contient une analyse de différents schémas numériques pour la discrétisation des problèmes d'advection-diffusion, notamment par une technique de séparation d'opérateurs, ainsi que leur mise en oeuvre informatique, dans un code industriel.<br /> La deuxième partie, qui est la contribution majeure de cette thèse, est consacrée à la modélisation et à l'implémentation d'une méthode de couplage globale pour le transport réactif. Le système couplé transport-chimie est décrit, après discrétisation en temps, par un système d'équations non linéaires. La taille du système sous-jacent, à savoir le nombre de points de grille multiplié par le nombre d'espèces chimiques, interdit la résolution du système linéaire par une méthode directe. Pour remédier à cette difficulté, nous utilisons une méthode de Newton-Krylov qui évite de former et de factoriser la matrice Jacobienne. <br /> Dans la dernière partie, nous présentons un modèle d'écoulement dans un milieu fracturé tridimensionnel, basé sur une méthode de décomposition de domaine, et qui traite l'intersection des fractures. Nous démontrons l'existence et l'unicité de la solution, et nous validons le modèle par des tests numériques.

Parmi les processus d'érosion, l'incision des rivières est classiquement décrit comme un processus clé contrôlant l'érosion des paysages. L'efficacité de l'incision est principalement influencée par le climat et par l'érodabilité. Ce dernier paramètre ne dépend pas seulement de la nature du substratum rocheux, mais aussi de sa déformation passée qui affecte ses propriétés rhéologiques équivalentes. Les principaux objectifs de cette thèse sont: (1) de mieux contraindre les relations entre propriétés équivalentes et érodabilité, et (2) de quantifier l'influence de l'érosion et de l'érodabilité sur la formation ou la décadence, spatiale et temporelle, de la topographie. Plusieurs outils numériques sont développés. Un formalisme 1D d'évolution des paysages est proposé, prenant en compte simultanément l'incision des rivières avec une distribution stochastique des débits en eau et l'érosion des versants par glissements de terrain. Un nouvel algorithme de remaillage appelé Surface Lagrangian Remeshing (SLR) est développé. Il permet de prendre en compte l'érosion à long terme dans les codes numériques 2D Lagrangiens basés sur des éléments finis triangulaires. Ensuite, la possibilité de mesurer in-situ l'érodabilité avec un marteau de Schmidt (R) est évaluée pour: l'orogène actif de Taiwan, les grès diagénétiques d'Annot et la zone de faille de St Clément. Les résultats suggèrent un fort contrôle de R par les propriétés équivalentes des roches testées. Un modèle linéaire, basé sur la théorie des milieux équivalents, est appliqué à une zone de faille avec une résolution inégalée (750 mesures, 25 mesures par mètre carré). Le modèle permet de corréler avec succès la densité de fracture et R. Ces résultats démontrent empiriquement que l'élasticité équivalente ainsi que l'érodabilité sont sensibles à la densité et à la nature des fractures. Enfin j'étudie les conditions d'érosion et de rhéologie qui permettent de reproduire l'évolution des chaînes de montagnes post-orogéniques. Un modèle couplant érosion en surface et soulèvement isostatique régional est compatible avec les observations. Les taux de décroissance topographique et de diminution du rapport de l'élévation de surface sur l'épaisseur de racine crustale sont contrôlés au premier ordre par la géométrie initiale de la chaîne de montagne et par l'efficacité de l'érosion. Ce nouveau modèle met en évidence le contrôle du climat et de l'érodabilité sur la décroissance topographique et de la rhéologie lithosphérique sur la persévérance des racines crustales.

Au cours du séchage, les milieux tels que les boues, vernis, peintures subissent différentes transformations physico-chimiques ainsi que d'importantes déformations sous l'effet des contraintes de rétraction. Un grand nombre de processus peuvent ainsi apparaître : formation de fractures, décollement revêtement/substrat, formation de plis, cloques,... Ces processus apparaissent à différentes échelles et présentent en particulier un grand intérêt pour les tableaux de Maîtres (rénovation, authentification, techniques des peintures). Deux systèmes modèles seront présentés afin d'étudier de telles instabilités. D'une part les suspensions aqueuses de particules colloïdales qui, au cours de l'évaporation du solvant, conduisent à la formation d'un gel fragile, siège de fortes contraintes mécaniques. D'autre part une goutte de solution d'un polymère vitreux à température ambiante qui, au cours du séchage, subit des déformations variées en fonction des conditions expérimentales.

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<p>During a three-year period (1989-91), all patients living in the county of Uppsala, Sweden, with a radiographically verified fracture of the clavicle were prospectively, consecutively followed (n=245). </p><p>The epidemiological study (I) was restricted to the two first years with 187 fractures in185 patients. The short term study (II) with 6 months follow-up included 222 patients. The long term study (III) with 10 years follow-up included 208 patients. The malunion study (IV) included eight patients and the nonunion study (V) 24 patients all of whom were consecutively operated between 1988-2000.</p><p>Displacement, especially with no bony contact in the initial radiographs, was a statistically significant risk factor for sequelae.</p><p>Comminute fractures, especially if including transversally placed fragments, were associated with a significantly increased risk of remaining symptoms. An increasing number of fragments was also associated with an increased risk of sequelae.</p><p>Patients with remainig symptoms after 6 months were on average older at the time of injury as compared to patients without remaining symptoms. Advancing age was also a significant risk factor for sequelae – specifically pain at rest – still after 10 years.</p><p>There was no difference between gender with respect to the risk of sequelae, except for nonunion.</p><p>Fracture location did not predict outcome, except for more cosmetic defects (middle part).</p><p>Shortening defined as overlapping at the fracture site was a significant risk factor for cosmetic defects after 10 years.</p><p>Patients who experience pain at rest and/or cosmetic defects more than twelve weeks after the fracture have a higher risk for sequelae.</p><p>The radiographic examination should always consist of two projections: the AP (0°) view and the 45° tilted view. Transversally placed fragments are not seen in the 0° view.</p><p>Removal of excessive callus in patients with persistent symptoms even several years after the fracture showed a good outcome. One does not have to stabilize the clavicle when excising the hypertrophic callus.</p><p>Symptomatic clavicular nonunions should be treated with surgery. Reconstruction plate combined with cancellous bone gives a faster and more reliable healing rate than external fixation.</p>

<p>The aims of the present thesis were to survey the prevalence and incidence ofpressure ulcers in patients with hip fracture and to investigate nursing staffknowledge and documentation regarding pressure ulcer prevention for the samepatient group. Another aim was to test the effect of three preventive interventions:risk assessment and pressure ulcer grading, a pressure-reducing mattress and aneducational programme. Experimental, comparative and descriptive designs wereused and quality improvement philosophy guided the research. In 1997 and 1999, atotal of 124 and 101 patients > 65 years with hip fractures were included andfollowed with risk assessment and skin observation. Audit of patient records, aquestionnaire to nursing staff and a focus group interview were also employed.</p><p>The findings from the first studies showed that 20% of the patients hadpressure ulcers on arrival to the hospital. During the hospital stay, 55% developednew pressure ulcers. Nursing staff knowledge and documentation regardingpressure ulcer prevention was unsatisfactory. An extensive educational programmewas developed and conducted in 1998. Twenty-five registered nurses participatedfrom the hospital and the community setting.</p><p>There were no significant differences in the prevalence/incidence ofpressure ulcers between the experimental and control groups in the twoexperimental studies. However, there was a significant reduction of the incidence ofpressure ulcers between 1997 and 1999 (from 55% to 29%). The focus group indicatedthat there had been changes since 1997 in nursing and treatment routines in theAccident and Emergency Department and in the orthopaedic wards.</p>

Tibial stress fractures are common in runners. However, it is unclear what factors are associated with tibial stress fractures. This study aimed to investigate 1) magnitudes of bone contact forces occurring while running 2) whether or not repeated application of running loads is sufficient to explain tibial stress fractures and 3) whether or not muscle fatigue alters the potential of tibial stress fractures. Tibial stress fractures were predicted through an estimation of the minimum number of cycles to failure (Nfail) using an integrated experimental and mathematical modeling approach. Short running trials within a speed range of 3.5-4 m/s of ten male runners were evaluated with a coupled force plate and 3 dimensional motion analysis system. The collected data were used to estimate joint reaction forces (JRF) and joint moments. Using these JRF and muscle forces predicted from optimization, 2-D bone contact forces at the distal end of the tibia were determined. Next, tibial stresses were estimated by applying these bone contact forces to a tibial model, which were then used to predict the Nfail. All procedures were repeated after plantarflexors fatigued from prolonged running. This study found that peaks of compressive and posterior shear forces occurred during mid stance, and these peaks equaled 8.91 ± 1.14 BW and -0.53 ± 0.16 BW, respectively. These bone contact forces led to a backward bending of the tibia during most of the stance phase and resulted in the maximum stresses of - 43.4 ± 10.3 MPa on the posterior face of the tibia. These maximum stresses predicted the group mean of Nfail as being 5.28*10⁶ cycles. However, 2.5% to 56% of population of runners have a chance of getting tibial stress fractures within 1 million cycles of a repeated foot impact. Within the context of muscle force and stress estimation procedures used in this study, Nfail appeared to increase after fatigue, not decrease as we hypothesized. / Graduation date: 2005