La physiopathologie et l'évolution structurale de l'ostéonécrose de tête fémorale (ONTF) sont des processus encore largement méconnus. Les objectifs de cette thèse ont été de rechercher des modifications de composition et de structure de l'os trabéculaire et de l'os sous-chondral dans l'ONTF. Un travail préliminaire s'est intéressé aux modifications de composition osseuse en spectrométrie Raman induites par l'embaumement afin de déterminer les témoins les plus appropriés pour comparer les os pathologiques. Des tissus osseux fémoraux issus de 5 sujets anatomiques embaumés ont ainsi été comparés à ceux de 5 sujets anatomiques frais. Le premier travail sur l'ONTF a consisté à rechercher des modifications des paramètres physico-chimiques minéraux et organiques en spectrométrie Raman de l'os trabéculaire de tête fémorale chez 11 patients ayant une ONTF versus 11 sujets frais. Le second travail concernant l'ONTF a porté sur l'étude de l'os sous-chondral. Cette recherche a prévu l'inclusion de 15 patients ayant une ONTF à 15 patients ayant une coxarthrose nécessitant un remplacement prothétique. Une évaluation IRM avec séquences usuelles, séquences de perfusion et séquences DIXON était réalisée préalablement à la chirurgie. Après la chirurgie, l'ensemble de la tête fémorale était ensuite analysé en nano-scanner (nano-CT), puis des biopsies en zones d'intérêt ont été réalisées et analysées par histologie, nano-CT avec amplificateur de contraste et spectrométrie Raman.RésultatsLa composition des tissus osseux fémoraux des sujets anatomiques frais et embaumés différaient de manière significative sur les paramètres minéraux et organiques. La composition de l'os trabéculaire sur les zones d’intérêt ne différait pas entre les patients ayant une ONTF et le groupe de sujets anatomiques frais après ajustement sur l'âge. Le volume de nécrose définie en IRM par la zone en hyposignal T1 est corrélé au volume de nécrose incluant la zone sclérotique en nano-CT. Concernant l'os sous-chondral, les résultats préliminaires mettent en évidence des différences de composition minérale et organique en spectrométrie Raman au niveau de la plaque souschondrale entre les zones d’intérêt du groupe ONTF et avec le groupe coxarthrose. Les résultats préliminaires qualitatifs des biopsies en nano-CT et en histologie suggèrent que l'atteinte de la plaque sous-chondrale est prédominante sur celle de l'os trabéculaire souschondral. L’évaluation IRM (séquence DIXON) et en nano-CT de la richesse adipeuse suggère une relative pauvreté adipeuse de la tête fémorale mais une richesse excessive du col fémoral.Ce travail apporte des éléments supplémentaires suggérant que la désorganisation de l'os trabéculaire au cours de l'ONTF est une conséquence d'une atteinte massive de l'os sous-chondral. / IntroductionThe pathophysiology and structural evolution of the osteonecrosis of the femoral head (ONFH) are poorly understood. The objectives of this thesis were to search for modifications of composition and structure of both the trabecular and the subchondral bone occurring during ONFH.MethodsA preliminary study looked into the potential modifications of bone composition induced by embalmment procedures using Raman spectroscopy in order to determine which controls are the most appropriate for comparisons with pathological bones. Femoral bones from 5 embalmed anatomical subjects were compared to femoral bones from 5 subjects that did not undergo any preservation procedure. The first work on ONFH addressed the potential modifications of trabecular bone mineral and organic physico-chemical parameters using Raman spectroscopy. The study included bone samples from femoral heads of 11 patients affected with ONFH and compared them to samples from 11 fresh anatomical subjects. The second study on ONFH addressed modifications of the subchondral bone. The study included 15 patients suffering from ONFH and 15 patients affected with hip osteoarthritis (OA) requiring joint prosthetic replacement. MRI examination that included standard medical sequences as well as experimental perfusion and DIXON sequences was performed prior to surgery. Once removed, the femoral heads were scanned using a nano-CT and samples of regions of interest were performed and analysed using histology, nano-CT with contrastenhancer marking and Raman spectroscopy.ResultsBone femoral mineral and organic composition was significantly altered in embalmed samples. Trabecular bone composition did not differ in any of the regions of interest inside the group of patients with ONFH nor in comparison with the control group of embalmed subjects after adjustment on age. The volume of the necrotic zone defined by the hypo-T1 MRI signal correlates to the volume including the sclerotic zone measured by nano-CT. Regarding the subchondral bone, preliminary results found differences of mineral and organic composition of the subchondral plate between zones of the ONFH group and with the OA group. Qualitative preliminary results from the study of biopsies analysed with the nano-CT and histology suggest that there are alterations of the subchondral plate and of the subchondral trabecular bone to a lesser extent. MRI examination with the DIXON sequence and nano-CT scans suggest that there is a decrease of the adipose content in the femoral head but an increase in the femoral neck in the ONFH group compared to the OA group.ConclusionThis work adds further evidence advocating that trabecular disorganization during ONFH is a consequence of massive alterations of the subchondral bone.

Le travail présenté dans cette thèse vise à apporter une compréhension fine des couplages hydromécaniques et plus particulièrement du phénomène d'effondrement capillaire. L'utilisation de matériaux granulaires modèles observés à petites échelles grâce au microtomographe à rayons X constitue le point de départ de cette étude. Les résultats portent dans un premier temps sur la capacité à reproduire et observer le phénomène d'effondrement capillaire à l'échelle de l'éprouvette, appelée aussi échelle macroscopique. Une des premières problématiques importantes de ce projet a donc porté sur la reconstitution d'éprouvettes suffisamment lâches permettant d'observer le phénomène effondrement. Le potentiel d'effondrement, alors mesuré au simple œdomètre sur ces éprouvettes reconstituées, décroit avec la charge mécanique appliquée. En contrôlant le volume d'eau au cours de l'imbibition, les éprouvettes sont sujettes à une succession d'incréments de déformation rapides et ceci quelle que soit la dynamique de mouillage. En parallèle, l'utilisation de la technique d'analyse non destructive par microtomographie aux rayons X nous a permis de quantifier à une échelle mésoscopique (échelle de quelques grains), l'évolution de matériaux granulaires sous chargement hydrique et mécanique. Cela a été possible par l'utilisation de la technique de corrélation d'images numériques (DIC) associée à des outils d'analyse adaptés aux matériaux non saturés. Ces outils révèlent que l'hétérogénéité locale des déformations et des teneurs en eau augmente au cours de l'imbibition principalement à cause de l'effet de la gravité sur la répartition de l'eau dans l'éprouvette. L'hétérogénéité initiale des éprouvettes induite par la méthode de préparation est aussi identifiée. Cependant, malgré la présence de ces hétérogénéités, nous montrons que les mesures réalisées à l'échelle de l'éprouvette restent représentatives du comportement mésoscopique du matériau au cours de l'effondrement / This thesis deals with hydromechanical couplings in soils and more particularly focusing on the capillary collapse phenomenon. Although thoroughly studied at macroscopic scale in fine soils, the mechanisms governing capillary collapse in granular soils have been less observed.At first, the results concern the capacity to reproduce and to observe the phenomenon of capillary collapse at the scale of the specimen, called also the macroscopic scale.Thus, one of the first important objectives of this project concerned the preparation method of the specimens, which have to be loose enough to observe this phenomenon. The collapse potential, determined here by the one-dimensional collapse test, decreases with the mechanical stress. Moreover, when the quantity of water is controlled, incremental strains of specimens arise whatever the imbibition dynamic.To complement existing data, an experimental program was carried out using X-ray computed tomography (X-ray CT), a relevant tool to obtain 3D informations at grain scale. In combination with Volumetric Digital Image Correlation (V-DIC), X-ray CT also makes it possible to get information at a mesoscopic scale, at which the use of continuum mechanics still remains relevant. In this work, both microscopic and mesoscopic analyses have been carried out on a partially saturated sand subjected to gradual controlled imbibition in an oedometric cell.Local heterogeneities of strains and water contents appear during the imbibition, which are principally explained by the effect of gravity and by an inhomogeneity of the initial density.However, in spite of the existence of those localisations, by comparing the analyses at the mesoscopic and at the macroscopic scale, we show that measurements performed at the scale of the specimen are representative of the local behaviour of the material

La variabilité des propriétés du bois ainsi que son hygroscopicité pourraient être un frein à son utilisation dans la construction, même s’il peut être considéré comme un matériau de choix dans le contexte environnemental et économique actuel. Il est donc primordial de mieux comprendre les origines physiques du comportement du bois pour être capable d’améliorer la prédiction de ses propriétés, et pouvoir ainsi le rendre plus compétitif par rapport aux autres matériaux de construction. Le comportement hygromécanique du bois, caractérisé par des variations dimensionnelles en présence de variations d’hygrométrie, est particulièrement difficile à prédire, du fait de sa microstructure multi-échelle et de ses interactions complexes avec l’eau.Dans ce contexte, la thèse vise à comprendre et enrichir les relations entre la microstructure du bois, ses propriétés de sorption et son comportement hygromécanique, en étudiant l’influence de l’hétérogénéité de l’accroissement annuel (cerne), constitué de bois initial et de bois final dont la structure et les propriétés présentent de nombreuses différences. Cette étude est menée sur du Douglas (Pseudotsuga menziesii (Mirb.) Franco), actuellement référencé comme un matériau de structure intéressant. Des outils de caractérisation avancés sont utilisés : la Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) du proton pour caractériser les mécanismes de sorption ; la corrélation d’images volumiques (DVC) pour mesurer les champs de déformations à partir d’images 3D de microtomographie aux rayons X (µTRX), donnant aussi accès à la densité locale du bois.Après une introduction sur le matériau bois et un état de l’art sur son comportement hygromécanique, une caractérisation préliminaire de la microstructure (angle des microfibrilles, largeur de cerne, densité) et du comportement hygromécanique d’échantillons de bois initial et de bois final prélevés dans différents cernes est menée. Une forte anisotropie du bois initial est mise en évidence en opposition au comportement isotrope transverse du bois final. Les déformations suivant la direction des fibres présentent aussi de fortes non-linéarités peu discutées dans la littérature. Une discussion sur la variabilité des propriétés est par ailleurs engagée, ainsi que sur les relations structure-propriétés à l’échelle macroscopique.L’origine des différences de comportement hygromécanique entre le bois initial et le bois final est tout d’abord recherchée au niveau des mécanismes de sorption, au travers une étude de relaxométrie RMN du proton en 2D (cartes T1-T2). Deux types d’eau liée situés dans des environnements distincts sont mis en évidence et leur isotherme de sorption diffère dans les deux types de bois. Une hypothèse sur leur localisation dans la paroi cellulaire est proposée, puis une modélisation simplifiée 2D est effectuée pour évaluer leur impact respectif sur le comportement hygromécanique du bois initial et du bois final, en particulier dans la direction des fibres.Enfin, les champs de déformations locaux et globaux sont étudiés en analysant par DVC des images de µTRX de bois initial et de bois final soumis à différentes sollicitations hydriques. Le couplage entre ces deux matériaux est aussi étudié pour évaluer leurs interactions et comprendre le comportement du bois à l’échelle du cerne. Un protocole de DVC adapté aux images de bois est proposé. Les comportements hygromécaniques du bois initial, du bois final et du cerne sont comparés. A l’échelle locale, des hétérogénéités du champ de déformations sont mises en évidence et corrélées à la densité locale. Leur effet sur le comportement du cerne et sur la courbure des échantillons induite par le chargement hydrique est analysé. Une modélisation 3D par éléments finis, tenant compte des gradients locaux de propriétés, vient enfin compléter cette étude pour améliorer la compréhension des interactions mécaniques entre le bois initial et le bois final / Wood has highly variable properties and is also hygroscopic. These characteristics may restrict its use in construction even if it can be considered as a material of choice with the current environmental and economical concerns. Therefore, it is essential to better understand the physical origins of the behavior of wood in order to improve the prediction of its properties, and making it competitive with respect to other building materials. Dimensional changes of wood appear when it is subjected to relative humidity variations. This hygromechanical behavior is particularly difficult to predict because of the multiscale structure of wood and its complex interactions with water.In this context, the present work aims to understand and enrich relationships between microstructure, sorption properties and hygromechanical behavior of wood. More specifically, it is focused on the influence of the growth-ring heterogeneity, constituted of earlywood and latewood which have different structures and properties. The study is performed on Douglas fir (Pseudotsuga menziesii (Mirb.) Franco), which is a species of significant interest for structural applications. Advanced characterization tools are used: proton Nuclear Magnetic Resonance (NMR) to characterize sorption mechanisms; digital volume correlation (DVC) to measure deformation fields from X-Ray microtomography 3D images (XRµT), also providing local density of wood.At first wood properties and its hygromechanical behavior are described through a literature overview. Preliminary microstructural (microfibril angle, growth-ring width, density) and hygromechanical behavior characterizations of earlywood and latewood samples with different cambium age are performed. Earlywood reveals a strong anisotropic behavior compared to latewood which is isotropic in the transversal plane. Moreover, strains along the fiber direction nonlinearly evolve with moisture content. This phenomenon has been hardly reported and studied in the literature. Discussions on variability of properties and on relationships between structure and properties are also initiated.Sorption mechanisms are then studied by 2D NMR relaxometry (T1-T2 correlation spectra) in order to investigate differences between earlywood and latewood hygromechanical behaviors. Two types of bound water located in distinct environments are highlighted and their sorption isotherms are shown to be different in the two types of wood. A hypothesis on their location in the cell-wall is proposed and a simple 2D model is developed to evaluate their respective effect on the hygromechanical behavior of earlywood and latewood, especially in the fiber direction.Furthermore, local and global strains fields are studied using DVC from XRµT images of earlywood and latewood subjected to relative humidity variations. The coupling of these two materials is also investigated in order to evaluate their mechanical interactions and to understand the behavior at the growth-ring scale. A specific DVC procedure is developed for images of wood. The hygromechanical behaviors of earlywood, latewood and a growth-ring are compared. At the local scale, strains fields heterogeneities are highlighted and correlated to the local density. Their effect on the growth-ring behavior and the samples curvature is analyzed. A 3D finite elements model which takes into account local gradients of properties is finally developed to better understand earlywood-latewood mechanical interactions

Ce travail de thèse de doctorat, effectué au sein du Département de Chimie Appliquée (au Laboratoire de Génie Chimique, LGC), vise à réaliser létude de lécoulement dun fluide dans des géométries complexes rencontrées en Génie Chimique (les empilages aléatoires et structurés, souvent utilisés dans des colonnes dadsorption et de distillation) par la méthode de Boltzmann sur réseau (Lattice Boltzmann Method, LBM) et à développer un outil numérique de simulation sous la forme dun code de calcul tridimensionnel. Dans le but daméliorer les performances de ces éléments complexes, qui conduisent à une efficacité et une sélectivité accrue des procédés se produisant dans les colonnes de distillation et dadsorption, il est donc intéressant dexaminer avec plus de précision la description des phénomènes de transport se produisant à léchelle locale dans ces milieux. Dans un premier temps, les concepts et les équations macroscopiques qui dérivent de lécoulement dun fluide ont été succinctement passés en revue, ainsi que le modèle de turbulence qui a été utilisé. Nous présentons ensuite, les éléments théoriques de la méthode de Boltzmann sur réseau, après quelques détails sur le modèle Gaz sur réseau, dont elle est dérivée. La méthode de Boltzmann sur réseau se démarque des schémas traditionnels en résolvant numériquement une équation basée sur la physique statistique. Les codes des modèles SRTLBE (équation de Boltzmann sur réseau à un seul temps de relaxation) et MRTLBE (équation de Boltzmann sur réseau à plusieurs temps de relaxation) à trois dimensions, de même que des conditions aux limites convenables ont été écrits dans un langage de programmation, puis validées sur des cas types de la littérature : un écoulement laminaire dans un conduit de section carrée et un écoulement de jet turbulent rectangulaire à 3D. Les codes implémentés dans une grille de calcul ont permis de simuler des écoulements de fluides dans des structures très complexes qui ont été obtenues par une technique expérimentale avancée : la microtomographie à rayons X. Létude dune mousse métallique, dun filtre à charbons actifs et dun filtre de capture daérosols ont été présentés. Les résultats numériques ont été comparés avec succès aux mesures expérimentales et à des corrélations de la littérature. Une autre étude a concerné létude de lécoulement à travers deux feuilles de Mellapak 250 Y. Les champs et contours de vitesse ainsi obtenus ont été soigneusement analysés et commentés à la fois en régime laminaire et en régime turbulent. Les résultats hydrodynamiques ont été comparés avec des mesures expérimentales ainsi quavec des valeurs calculées par des corrélations disponibles dans la littérature. Les modèles existant ont été analysés. Enfin, ces simulations (LBM) ont été comparées à celles effectuées dans les mêmes conditions opératoires, avec le code de calcul classique FLUENT.