La douleur articulaire associée à l’arthrose est un problème clinique majeur, spécialement chez les personnes âgées. L’intensité de la douleur est souvent amplifiée lors de mouvement de l’articulation et principalement lors du soutien de la charge corporelle sur le membre lésé. Malheureusement, les traitements pharmacologiques proposés sont trop souvent associés à des effets secondaires néfastes et à une inefficacité pour le soulagement de la douleur à long terme. Divers modèles murins sont utilisés en laboratoire de recherche pour des études précliniques de molécules aux propriétés analgésiques. Une évaluation comparative de la réponse comportementale douloureuse des animaux d’un modèle d’instabilité articulaire induit par le sectionnement du ligament croisé antérieur accompagné d’une méniscectomie partielle (le modèle ACLT+pMMx) et d’un modèle de dégénérescence articulaire induite par le monoiodoacetate (le modèle MIA) a permis de sélectionner un modèle approprié pour la continuité du projet. Les deux modèles ont démontré des lésions tissulaires, mais le modèle MIA a démontré une réponse douloureuse plus prononcée que le modèle ACLT+pMMx. Par l’analyse de la démarche, le modèle MIA a démontré une boiterie claire dans le patron de la démarche des animaux qui est associée à une lésion unilatérale. Le modèle MIA a donc été choisi pour la suite du projet. La problématique principale dans la recherche sur la douleur associée à l’arthrose est une compréhension incomplète des mécanismes de douleur responsables de l’induction et du maintien de l’état de douleur. Il devient donc nécessaire d’améliorer nos connaissances de ces mécanismes en effectuant une caractérisation plus approfondie des modèles animaux employés pour l’évaluation de stratégies pharmacologiques analgésiantes. Afin de bien comprendre le modèle MIA, une caractérisation des événements moléculaires centraux lors de la progression du processus dégénératif des structures articulaires de ce modèle s’est effectuée aux jours 3, 7, 14, 21 et 28 post injection. Des mécanismes hétérogènes qui modulent l’information nociceptive en fonction de la progression temporelle de la pathologie ont été observés. Les changements du contenu i spinal des neuropeptides sélectionnés (substance P, CGRP, dynorphine A et Big dynorphine) ont débuté sept jours suivant l’injection de MIA. L’observation histologique a démontré que les dommages structuraux les plus importants surviennent entre les jours 14 et 21. C’est entre les jours 7 et 21 que les lésions démontrent le plus de similarités à la pathologie humaine. Cela suggère que lors d’une évaluation préclinique d’un traitement pharmacologique pour pallier la douleur articulaire utilisant le modèle MIA, l’étude doit tenir compte de ces événements afin de maximiser l’évaluation de son efficacité. Puisque les traitements pharmacologiques conventionnels proposés pour le soulagement de la douleur ne font pas l’unanimité en terme d’efficacité, d’effets non désirés et de coûts monétaires parfois onéreux, les molécules de dérivés de plante deviennent une alternative intéressante. L’eugénol, le principal constituant de l’huile de clou de girofle, a été administré oralement pour une période de 28 jours chez des rats ayant reçu l’injection intra-articulaire de MIA afin d’évaluer son efficacité pour le traitement de la douleur articulaire. L’eugénol à une dose de 40 mg/kg s’est révélé efficace pour l’amélioration du patron de la démarche des animaux ainsi que pour la diminution de l’allodynie mécanique secondaire. De plus, les concentrations spinales de neuropeptides pronocicepteurs ont diminué chez les animaux traités. Par une évaluation histopathologique, l’eugénol n’a démontré aucune évidence d’effets toxiques suite à une administration per os quotidienne pour une période prolongée. Ces résultats suggèrent le potentiel thérapeutique complémentaire de la molécule d’eugénol pour le traitement de la douleur articulaire. / Pain is the most predominant clinical symptom associated with osteoarthritis (OA), mostly among older people. Joint movement and weight bearing often increase the pain intensity. Unfortunately, the proposed pharmacological treatments are frequently associated with side effects and ineffective for pain alleviation for long time periods. Many murine models are used in laboratories for preclinical studies evaluating analgesic compounds. A comparative evaluation of the behavioral pain responses of animals with a joint instability model induced by the transection of the anterior cruciate ligament followed by a partial menisectomy (the ACLT+pMMx model) and of an articular degenerative model induced by an intra-articular injection of monoiodoacetate (the MIA model) was conducted to select an appropriate model for the continuation of the project. Both models demonstrated articular lésions, however the MIA model demonstrated a clearer behavioral pain response over the ACLT+pMMx model. The gait pattern of the MIA model revealed a clear limping gait similar to that observed with unilateral OA in humans. The MIA model was chosen for the subsequent studies. An unresolved issue in pain OA research is the lack of understanding of the pain mechanisms responsible for the induction and maintenance of the pain. Therefore, there is an urgent clinical need to improve the characterization of animal models to effectively discover novel pain relief pharmacological treatment stratégies for OA patients. A characterization of the spinal pain molecular events during the progression of the joint degenerative process in the MIA model was performed on days 3, 7, 14, 21 and 28 post injection. Heterogeneous nociceptive central molecular events were observed in respect to the time course of the pathology’s progression. Changes in selected spinal neuropeptide content (substance P, CGRP, dynorphin A, Big dynorphin) began 7 days following the MIA injection. Most severe joint structural damage on histology occured between days 14 and 21 post injection. These results suggest that preclinical drug evaluation employing this model should be conducted between 7 and 21 days post injection when the lesions resemble most those of human OA. iii As current pharmacological therapy for the alleviation of joint pain does not achieve the unanimity in respect to efficacy, side effects and cost, plant derivate compounds are now interesting alternatives to improve the situation. Eugenol, the main constituent of clove oil, was evaluated for its efficacy for alleviation of joint pain in rats who previously received an intra-articular injection of mono-iodoacetate to induce the MIA model. Eugenol, administered orally for 28 consecutive days at a dose of 40 mg/kg, improved gait pattern and reduced secondary mechanical allodynia. Furthermore, spinal concentrations of pronociceptive neuropeptides were also decreased in the treated animals. No toxic effects of the compoud were identified on histopathological assessment of the various tissues. These results suggest that eugenol could be a potential therapeutic option for alleviating OA joint pain.

Depuis les dernières années, la prévalence de personnes souffrant de dégénérescence des cartilages articulaires, communément appelée ostéoarthrite (OA), ne cesse d’augmenter. Les douleurs articulaires et les raideurs musculaires associées à cette pathologie mènent à des limitations des capacités fonctionnelles, à une perte de mobilité et d’autonomie affectant grandement la qualité de vie de ces personnes. Afin de soulager les personnes souffrant de cette pathologie, l’arthroplastie de la hanche est une procédure chirurgicale fréquemment utilisée. À la suite de cette chirurgie, une amélioration de la qualité de vie et une reprise des capacités fonctionnelles sont souvent observées. Cependant, comparativement à des sujets sains, la vitesse de marche est diminuée, une faiblesse des muscles abducteurs de la hanche est constatée et des mouvements compensatoires au niveau du tronc sont persistants. L’objectif de cette thèse est d’évaluer le patron locomoteur chez des patients qui subiront une arthroplastie de la hanche. Plus spécifiquement, les adaptations locomotrices pré et post-opératoires seront quantifiées dans le but d’apporter des modifications aux programmes de réhabilitation pour ainsi favoriser un patron locomoteur sans déficit. Afin de répondre à cet objectif, trois études distinctes ont été effectuées. Dans le cadre de la première étude, l’impact de l’implantation d’une prothèse totale de la hanche avec une tête fémorale de large diamètre et une prothèse de resurfaçage a été évalué par rapport aux sujets sains lors de la locomotion. Au cours de cette étude, le contrôle du tronc a été analysé en utilisant la distance entre le centre de masse corporel et le centre articulaire de la hanche opérée. Suite aux résultats obtenus, aucune différence majeure n’existe entre les deux types de prothèses en ce qui a trait au contrôle du tronc et ce, à un an post-opératoire. Lors de la deuxième étude, la symétrie des paramètres biomécaniques des membres inférieurs lors de la locomotion chez des patients ayant bénéficié de l’implantation d’une prothèse de la hanche a été caractérisée suite à un programme d’exercices péri-opératoires (pré et post-opératoire). Lors de cette étude, le programme d’exercices péri-opératoires était complémentaire au protocole de réadaptation du centre hospitalier. D’après les résultats obtenus lors de cette étude exploratoire, ce programme d’exercices péri-opératoires semble permettre d’améliorer la symétrie de la puissance et du travail musculaire au niveau de la hanche, du genou et de la cheville favorisant ainsi un patron de marche avec de minimes compensations. Finalement, dans le cadre de la troisième étude, l’approche prédictive et l’approche fonctionnelle, utilisées pour localiser le centre articulaire de la hanche, ont été comparées aux mesures radiographiques, chez des patients à la suite d’un remplacement articulaire de la hanche. À la suite de cette étude, les résultats démontrent que l’utilisation de l’approche fonctionnelle est plus appropriée chez des patients ayant bénéficié d’une arthroplastie de la hanche. En effet, cette approche individualisée est plus précise ce qui, par conséquent, permettra d’obtenir des résultats de plus grande qualité lors d’analyses biomécaniques de la locomotion. / In recent years, the prevalence of people suffering from joint cartilage degeneration, called osteoarthritis (OA), still increases. The joint pain and muscle stiffness related to this pathology have an impact on patients’ quality of life by limiting their functional capacities, mobility and autonomy. In order to relieve these patients, hip arthroplasty is a frequently used surgical procedure. Even if there is an improvement in quality of life and a restoration of functional capacities in these patients, some impairment seem to persist during the post-operative period. The walking velocity is slower when compared to healthy subjects, a hip abductor muscle weakness is observed and trunk compensations lasted during the post-operative period. The aim of this thesis is to evaluate patients undergoing hip arthroplasty during locomotion. More specifically, gait pattern adaptations will be quantified pre and post-operatively to revise rehabilitation programs in order to promote a healthy gait pattern. Three separate studies were conducted to meet this objective. The first study compared the effect of a large femoral head hip prosthesis and a hip resurfacing prosthesis to healthy subjects. During this study, the trunk control was analyzed using the distance between the body center of mass and the hip prosthetic joint center. The results obtained show no major difference between the two types of prosthesis and the healthy control one year post-operatively. During the second study, biomechanics parameter symmetry of the lower limb of gait pattern in patients undergoing hip arthroplasty was characterized following a peri-operative (pre and post-operatively) exercise program. The exercise program was complementary to the medical center standard rehabilitation program. Based on the results of this exploratory study, the peri-operative exercise program seems to improve the symmetry of the muscular power and work of the hip, knee and ankle which promote a healthy gait pattern without compensations. Finally, for the third study, the predictive and the functional approaches, used to locate the hip joint center, were compared to radiographic measurements in patients undergoing hip arthroplasty. The results of this study demonstrated that the functional approach was more appropriate for these patients. This individualized approach is more accurate which leads to quality improvement during biomechanical analysis of gait pattern.

La structure du cartilage articulaire adulte est caractérisée par la présence de couches créées par l’orientation des fibres de collagène (Benninghoff, 1925). Avant de présenter la structure adulte classique en arcades “de Benninghoff”, le cartilage subit une série de changements au cours de sa maturation (Julkunen et al., 2010; Lecocq et al., 2008). Toutefois, un faible nombre d’études s’est intéressé à la structure du collagène du cartilage articulaire in utero. Notre objectif était d’étudier la maturation de la surface articulaire de l’épiphyse fémorale distale chez le cheval, en employant à la fois l’imagerie par résonance magnétique (IRM) et la microscopie en lumière polarisée après coloration au rouge picrosirius, au niveau de sites utilisés dans les études de réparation tissulaire et de sites prédisposés à l’ostéochondrose (OC). Le but était de décrire le développement normal du réseau de collagène et la relation entre les images IRM et la structure histologique. Des sections provenant de cinq sites de l’épiphyse fémorale distale de 14 fœtus et 10 poulains et adultes ont été colorées au rouge picrosirius, après que le grasset ait été imagé par IRM, dans l’optique de visualiser l’agencement des fibres de collagène de type II. Les deux modalités utilisées, IRM et microscopie en lumière polarisée, ont démontré la mise en place progressive d’une structure en couches du réseau de collagène, avant la naissance et la mise en charge de l’articulation. / Adult articular cartilage has a zonal or layered structure, created by the predominant collagen fibre orientation (Benninghoff, 1925). Before reaching the classical “Benninghoff structure”, major changes take place with maturation from juvenile to adult cartilage (Julkunen et al., 2010; Lecocq et al., 2008). However, there have been few studies addressing the in utero collagen structure of articular cartilage. Our objective was to study the maturation of the distal femoral epiphysis articular surface, employing both magnetic resonance imaging and polarized light microscopy with picrosirius red staining, at sites employed for cartilage repair studies or susceptible to osteochondrosis to describe normal development of the spatial architecture of the collagen network at these sites and the relationship between magnetic resonance images and histology. Samples were harvested from five sites from the distal femoral epiphysis of 14 fetuses and 10 foals and adults, after the stifle was imaged with magnetic resonance imaging. Sections were stained with picrosirius red to determine the structural arrangement of the type II collagen fibres. Both magnetic resonance imaging and polarized light microscopy revealed an early progressive structural laminar/zonal organization of the collagen network, prior to birth and postnatal load-bearing.

Les maladies ostéoarticulaires représentent environ 10% de l’ensemble des pathologies identifiées en France chaque année. Ces maladies inflammatoires et dégénératives des articulations sont pour la plupart consécutives au vieillissement ou à un traumatisme et évoluent vers l’usure des cartilages, d’où un handicap sévère. Comme aucun traitement ne permet la réparation totale du tissu cartilagineux, la recherche médicale développe des techniques d’ingénierie tissulaire. Ces techniques utilisent des substrats polymériques et des cellules souches qui sont « contraints » de se développer pour former du tissu cartilagineux. Cependant, ces techniques ne peuvent pas encore être utilisées à l’échelle d’une articulation complète car il n’est pas possible de reproduire ex vivo à grande échelle la structure et les propriétés mécaniques et physicochimiques du cartilage articulaire. Dans ce contexte, les travaux de cette thèse ont permis de développer des matériaux polymères capables d’être implantés à l’échelle macroscopique dans les articulations pathologiques afin de combler l’usure des cartilages. Pour se faire, de nouveaux biomatériaux - hydrogels p(HEMA) - ont été obtenus en contrôlant le caractère hydrophile des hydrogels p(HEMA) au cours de leur synthèse chimique en présence de différents co-monomères (acide acrylique, acrylamide, acrylate d'éthylène et acrylate de butyle). Partant de là, les propriétés physicochimiques, mécaniques et tribologiques de ces nouveaux hydrogels ont été optimisées afin d’obtenir des propriétés similaires à celles du cartilage articulaire sain. Ensuite, la libération contrôlée de médicaments par ces hydrogels a été étudiée afin de minimiser les risques inflammatoires lors de leur utilisation en ingénierie tissulaire du cartilage articulaire. / Osteoarticular diseases re present approximately 10% of all diseases identified in France each year. These inflammatory and degenerative joint disease are mostly consecutive with age or injuries and the wear progress of cartilage, resulting in severe disability. Because no treatment will total repair the cartilage tissue, medical research is developing techniques based on tissue engineering. These techniques use polymer substrates and stem cells that are "forced" to develop into cartilage tissue. However, these techniques cannot be used across a run articulation because Il is not possible-to replicate ex vivo a large-scale structure and the physicochemical and mechanical properties of articular cartilage. In this context, the purpose of this thesis is to develop polymer materials that can be implanted at the macroscopic level in the joints disease that will fill the wear of the cartilage. To do so, new biomaterials - hydrogels p (HEMA)- were obtained by controlling the hydrophilic nature of hydrogels p (HEMA) during their chemical synthesis in the presence of various co-monomers (acrylic acid, acrylamide, acrylate ethylene and butyl acrylate). From there, physicochemical, mechanical and tribological properties of these novel hydrogels have been optimized to obtain similar properties to those of healthy articular cartilage. Then, the controlled release of drugs from these hydrogels was studied to minimize inflammatory when used in tissue engineering of articular cartilage.

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Le traitement d'une infection ostéo-articulaire nécessite une prise en charge longue, obligeant à des chirurgies itératives et à un traitement antibiotique systémique prolongé. À ce jour, le polyméthacrylate de méthyle est le vecteur d’antibiotique local le plus fréquemment utilisé chez l’homme pour traiter une infection ostéo-articulaire. Cependant les PMMA sont non résorbables et obligent à multiplier les interventions chirurgicales afin d’aboutir au traitement définitif de l’infection ostéo-articulaire. Le PMMA ne permet pas une libération complète de l’antibiotique avec de surcroît des doses inférieures à la CMI du germe en cause, pouvant faciliter l’émergence de bactéries résistantes. L'objectif de notre travail était d’obtenir une libération locale efficace et prolongée d’antibiotique grâce à un polymère entièrement résorbable. Le cahier des charges établi pour l’élaboration de ce polymère était le suivant : système matriciel offrant une libération de gentamicine à une dose de 1 à 2 mg/jour/g de mélange sur une période de plus de 10 jours. De plus, le polymère devait être bio-résorbable, c’est-à-dire qu’il devait pouvoir être dégradé jusqu'à obtenir des fragments pouvant être éliminés naturellement par l'organisme. Afin de répondre à ces exigences, il a été créé le PLA50P, Poly(D,L-acide lactique) de haut poids moléculaire. Afin d’obtenir le mélange gentamycine-PLA, une technique de compression des poudres des deux composants a été mise en œuvre. Ce polymère pouvait être stérilisé par -irradiation, sans influence sur les caractéristiques de relargage du polymère.La cinétique in vitro de la gentamicine relarguée par le PLA50GS montrait un pic maximum de gentamicine libérée obtenu à 12 jours et une stabilisation ensuite jusqu’à 63 jours de la quantité relarguée. La quantité cumulée de gentamicine relarguée à 3 semaines in vitro est de 54 % de la quantité contenue initialement dans PLA50GS. In vivo, nous observions une libération in situ de 5,1 µg/mL de gentamicine à J3, de 1,9 µg/mL de gentamicine à J7 et de 0 µg/mL à 5 semaines avec disparition de PLA50GS à l’examen macroscopique. Nous avons ainsi pu mettre en évidence, in vitro et in vivo, un relargage de la gentamicine à des doses supérieures à la CMI du germe et ce pendant plus de trois semaines.Afin de confirmer ces observations, nous avons ensuite mis au point un modèle d’infection périostée chez le rat. Pour ce faire nous avons utilisé des rats âgés de 10 à 12 semaines avec une injection au contact de l’os et au 1/3 moyen de la patte arrière de deux fois 100 ml de SAMS d’origine animale. L’utilisation du PLA50GS a montré sa supériorité par rapport à une administration parentérale d’une dose équivalente de Gentamicine avec une négativation du contage bactériologique chez tous les rats traités par le polymère chargé à la Gentamicine. Nous avons ensuite voulu traiter une infection articulaire grâce à notre polymère. Nous avons donc créé un modèle animal utilisant un lapin femelle de 4 kg avec une injection de 1 ml d’une solution à 103 CFU/ml de staphylococcus méthi-sensible d’origine léporidée. Le PLA50GS nous a permis de réduire très significativement la charge bactérienne intra-articulaire (baisse de 3 à 4 log10 soit 1000 à 10000 fois moins de bactéries) alors que le traitement antibiotique par voie générale dit de référence ne nous a pas permis de réduire l’infection intra-articulaire de façon significative par rapport au groupe non traité. Le PLA50GS nous a ainsi permis de réduire l’infection de 3 log10 par rapport aux autres groupes avec 2 lapins sur 6 guéris de leur infection.Le PLA50GS présente, ainsi, les caractéristiques suivantes : (i) stabilité de la Gentamicine au sein du polymère, (ii) polymère sous forme de poudre stable, (iii) relargage prolongé de la Gentamicine pendant plusieurs semaines, (iv) effet « burst » présent mais limité, (v) très bonne biotolérance, et (vi) efficacité supérieure aux traitements antimicrobiens classiques. / The treatment of soft-tissue infections, osteomyelitis, and acute or chronic septic arthritis is a lengthy process that involves repeated surgical procedures and the systemic administration of antibiotics for at least 6 weeks to 3 months. Poor diffusion of antibiotics into bones and joints requires high doses given parenterally for long periods. At present, the antibiotic vector most widely used in humans with bone or joint infections is polymethylmethacrylate. Because PMMA is not bioabsorbable, multiple surgical procedures are required to eradicate infection. Furthermore, PMMA does not release its full antibiotic load over time and may yield local antibiotic concentrations lower than the minimal inhibitory concentration of the causative organism, thereby promoting the emergence of resistant strains. The objective of our work was to develop a fully bioabsorbable polymer capable of ensuring the prolonged and efficient release of its antibiotic load, thus improving the management of bone and joint infections. The specifications for the polymer included the release by the matrix system of 1-2 mg of gentamicin per day and per gram of mixture over more than 10 days. Other specifications were appropriate physical characteristics, a drug release rate sufficient to ensure optimal treatment safety, and ease of implantation. The polymer was also to be bioabsorbable, i.e., subject to degradation into fragments capable of being eliminated naturally by the body. High-molecular weight PLA50P, Poly(D,L-lactic acid) was created and found to meet these specifications. Use of this polymer as large particles (0.5 to 1 mm) limited the initial burst phenomenon. A gentamicin-PLA50P mixture was obtained by compression of the two components prepared in powder form. The antibiotic load was set at 20% to limit the initial burst. The polymer can be sterilized by gamma irradiation, which has no effect on drug release characteristics.In vitro kinetic studies of gentamicin release by the polymer showed a peak on day 12 followed by a plateau that lasted until day 63. After 3 weeks, the cumulative amount of gentamicin released in vitro was 54% of the total amount loaded onto the polymer. In vivo gentamicin concentrations measured in situ were 5.1 µg/mL on day 3, 1.9 µg/mL on day 7, and 0 µg/mL on day 35, when the polymer was no longer visible to the naked eye. Thus, both in vivo and in vitro, gentamicin was released in concentrations greater than the MIC of the microorganism, for longer than 3 weeks.To test the gentamicin-loaded polymer, we created a rat model of periosteal infection. Rats aged 10-12 weeks received two 100 mL injections of methicillin-susceptible Staphylococcus aureus collected from animals, into the middle third of the hind leg, in contact with the bone. Treatment with gentamicin-loaded PLA50P proved superior over parenteral administration of an equivalent gentamicin dose, consistently reverting the bacteriological cultures to negative. We then created a rabbit model of septic arthritis. A doe weighing 4 kg received an add intraarticular injection of 1 mL of a solution containing 103 cfu/mL of a methicillin-sensitive S. aureus strain collected from another rabbit. Gentamicin-loaded PLA50P treatment induced a highly significant drop in the intraarticular bacterial load (by 3-4 log10), whereas standard systemic gentamicin therapy failed to significantly diminish bacterial counts comparatively to the untreated controls. Thus, gentamicin-loaded PLA50P diminished the bacterial load by 3 log10 comparatively to the other groups and allowed eradication of the infection in 2 of the 6 rabbits.In sum, gentamicin-loaded PLA50P (i) ensures the stability of the antibiotic; (ii) is available as a stable powder; (iii) ensures the prolonged release of gentamicin over several weeks; (iv) produces a limited burst effect; (v) exhibits very good biotolerance; (vi) and is more effective than standard antimicrobial therapy.

Cette thèse aborde une étude biomécanique de l’Articulation Temporo Mandibulaire (ATM), dont l’un des objectifs est la définition d’une approche complète, faisant appel à des outils modernes, permettant la conception d’une prothèse d’ATM personnalisée. Tout d’abord, nous avons conçu et réalisé un tribomètre reproduisant les conditions physiologiques de fonctionnement de l’ATM, afin d’étudier les interactions entre un matériau prothétique et de l’os porcin et de quantifier leurs usures respectives. La conception prothétique personnalisée passe par la réalisation d’un « état des lieux ». Nous avons donc défini un protocole de caractérisation non invasif de l’ATM. Il correspond à l’acquisition de sa géométrie actuelle et des mouvements élémentaires de la mandibule. Dans un deuxième temps, des simulations numériques en dynamique des corps rigides et/ou en éléments finis ont été réalisées pour accéder à des grandeurs mécaniques, telles que contraintes et déformations, nécessaires à la conception d’une prothèse. La totalité du protocole a été menée sur deux sujets d’étude : un sujet présentant une résorption condylienne et un sujet asymptomatique. Des modèles numériques personnalisés ont été construits pour chaque cas. Ces modèles nous ont permis d’étudier le fonctionnement articulaire de chaque individu. Nous avons effectué des comparaisons entre ces deux sujets et nous avons pu constater des différences notables concernant le fonctionnement articulaire. Il s’est avéré que les changements morphologiques occasionnés par la résorption osseuse ont des conséquences sur l’activité musculaire, ainsi que sur les efforts articulaires. Ce travail a permis d’enrichir les connaissances fondamentales par rapport au fonctionnement de l’ATM. Il a également permis de valider des outils d’évaluation de l’état fonctionnel de l’articulation. L’approche développée durant cette thèse est mise en pratique au sein de la société OBL, spécialisée dans la conception et la réalisation de prothèses maxillo-faciales sur mesure. Elle peut également être utilisée comme outil d’évaluation de solutions prothétiques existantes et à venir / This thesis deals with a biomechanical study of the Temporo-Mandibular Joint (TMJ); one of the objectives of this work is the definition of a complete approach, using modern tools, allowing the design of a personalized TMJ prosthesis. First of all, a tribometer reproducing the TMJ physiological conditions was designed and built, in order to study the interactions between porcine bone and a prosthetic material and to quantify their respective wears. Through this device, the relationships between the contact parameters and bone wear were determined. Personalized prosthetic design needs first to carry out “a state-of-the-art”. We defined a non invasive protocol for TMJ characterization. It corresponds to the acquisition of its current geometry and of the mandible elementary motions. In a second step, numerical simulations of rigid bodies and/or finite elements were achieved to obtain the mechanical quantities, such as stresses and strains, necessary for the prosthesis design. The entire protocol was conducted on two subjects: an asymptomatic one and a second one with condylar resorption. Personalized numerical models were built for each case. These models allowed us study the joint functioning of each subject. We made comparisons between these subjects and significant differences were found. It was proved that the changes produced by bone resorption have an impact on muscle activity, as well as contact forces in joints. This work allowed enhancing the fundamental knowledge regarding TMJ operating conditions. It also enabled to validate evaluation tools of the functional state of the joint. The approach developed during this thesis is applied by OBL society, specialized in the design of customed maxillofacial prostheses. The approach proposed in this work can also be used as an evaluation tool of existing prosthetic solutions, as well as future solutions

L’objectif général de cette thèse était d’analyser les effets d’une modification expérimentale de la capacité-posturo-cinétique (CPC) sur l’organisation biomécanique de l’initiation de la marche (IM) chez le jeune adulte. L’hypothèse générale était qu’une altération de la CPC a un effet négatif sur la stabilité et/ou la performance motrice et, qu’à l’inverse, une amélioration de la CPC a un effet positif. Pour tester cette hypothèse, trois expérimentations ont été réalisées, chacune ayant pour objet de modifier une composante spécifique de la CPC en lien avec le contexte clinique. Dans une première expérimentation, les effets d’une fatigue bilatérale aigue des Tibialis Anterior, muscles impliqués dans les ajustements posturaux anticipateurs (APA) de l’IM, étaient analysés. Les résultats ont montré que lorsque l’IM était réalisée en condition de fatigue, le recul anticipateur du centre des pressions et la vitesse du centre de gravité lors du décollement du pied étaient réduits, malgré une augmentation de la durée des APA. En conséquence, la performance motrice (vitesse maximale du centre de gravité/longueur du pas) était réduite. Les résultats d’une étude complémentaire ont montré que les sujets restaient cependant capables d’atteindre le même niveau de performance qu’en condition « sans fatigue » lorsque la consigne expérimentale l’exigeait. Dans une deuxième expérimentation, les effets d’une hypomobilité unilatérale du genou induite par un port d’attelle ont été investigués. En condition de port d’attelle, l'amplitude des APA médio-latéraux, ainsi que la stabilité étaient augmentées comparativement à la condition contrôle (IM sans port d’attelle). En revanche, la performance motrice était réduite. Là encore, lorsque la consigne expérimentale l’exigeait, les sujets étaient capables d’atteindre le même niveau de performance motrice qu’en condition contrôle, mais au détriment de la stabilité. Enfin, dans une troisième expérimentation, les effets d’une augmentation de la mobilité de la chaîne posturale, induite par une manipulation vertébrale de type HVLA étaient analysés. Les participants étaient répartis dans groupe expérimental (subissant la manipulation HVLA) et un groupe témoin (subissant une manipulation neutre). Les résultats ont mis en évidence un gain de mobilité du rachis de 20% suite à ce type de manipulation, suggérant une amélioration de la CPC. De façon surprenante, l’amplitude des APA et la performance motrices étaient réduites dans le groupe expérimental uniquement. En conclusion, l’ensemble de ces résultats suggère que lorsque la CPC est modifiée expérimentalement, le SNC priorise la protection corporelle, le maintien de la stabilité posturale ou le maintien de la performance motrice, en fonction de la consigne expérimentale et de la contrainte appliquée au niveau du système musculo-squelettique. / The main objective of this thesis was to assess the effects of an experimental modification of the posturo-kinetic capacity (PKC) on the biomechanical organization of gait initiation (GI) in young adults. The general hypothesis was that an alteration of PKC has a negative effect on stability and / or motor performance and that conversely, an improvement in PKC has a positive effect. To test this hypothesis, three experimentations were conducted. Each of them aimed at modifying a specific component of the PKC related to the clinical context. In a first experimentation, the effects of acute bilateral fatigue of Tibialis Anterior, muscles involved in the anticipatory postural adjustments (APA) of GI, were analyzed. Results showed that when the GI was performed in fatigue condition, the anticipatory backward of the center of pressure as well as the speed of the center of gravity during the detachment of the foot were reduced, despite an increase in the duration of APA. As a consequence, the driving performance (maximum center of gravity speed / step length) was reduced. Results of a complementary study showed that the subjects were nevertheless able to reach the same level of performance as in "no fatigue" condition when the experimental set point required it. In a second experimentation, the effects of unilateral hypomobility of the knee induced by orthosis were investigated. In orthosis condition, both mediolateral APA amplitude and stability were increased, compared to control condition (GI without orthosis). However, motor performance was reduced. Again, when the experimental set point required it, the subjects were able to achieve the same level of motor performance as under control conditions, but to the detriment of stability. Finally, in a third experimentation, the effects of an increase of postural chain mobility induced by HVLA-type (High-Velocity, Low-Amplidude) vertebral manipulation were assessed. The participants were divided into experimental group (with HVLA manipulation) and a sham group (with neutral manipulation). The results showed a spinal mobility gain of 20% following this type of manipulation, suggesting an improvement of the PKC. Surprisingly, APA amplitude and motor performance were reduced in the experimental group only. To conclude, all these results suggest that when PKC is experimentally modified, the CNS prioritizes body protection, maintenance of the postural stability or maintenance of the motor performance, depending on experimental conditions and constraints applied on musculoskeletal system.

Parmi les blessures sportives reliées au genou, 20 % impliquent le ligament croisé antérieur (LCA). Le LCA étant le principal stabilisateur du genou, une lésion à cette structure engendre une importante instabilité articulaire influençant considérablement la fonction du genou. L’évaluation clinique actuelle des patients ayant une atteinte au LCA présente malheureusement des limitations importantes à la fois dans l’investigation de l’impact de la blessure et dans le processus diagnostic. Une évaluation biomécanique tridimensionnelle (3D) du genou pourrait s’avérer une avenue innovante afin de pallier à ces limitations. L’objectif général de la thèse est de démontrer la valeur ajoutée du domaine biomécanique dans (1) l’investigation de l’impact de la blessure sur la fonction articulaire du genou et dans (2) l’aide au diagnostic. Pour répondre aux objectifs de recherche un groupe de 29 patients ayant une rupture du LCA (ACLD) et un groupe contrôle de 15 participants sains ont pris part à une évaluation biomécanique 3D du genou lors de tâches de marche sur tapis roulant. L’évaluation des patrons biomécaniques 3D du genou a permis de démontrer que les patients ACLD adoptent un mécanisme compensatoire que nous avons intitulé pivot-shift avoidance gait. Cette adaptation biomécanique a pour objectif d’éviter de positionner le genou dans une condition susceptible de provoquer une instabilité antérolatérale du genou lors de la marche. Par la suite, une méthode de classification a été développée afin d’associer de manière automatique et objective des patrons biomécaniques 3D du genou soit au groupe ACLD ou au groupe contrôle. Pour cela, des paramètres ont été extraits des patrons biomécaniques en utilisant une décomposition en ondelettes et ont ensuite été classifiés par la méthode du plus proche voisin. Notre méthode de classification a obtenu un excellent niveau précision, de sensibilité et de spécificité atteignant respectivement 88%, 90% et 87%. Cette méthode a donc le potentiel de servir d’outil d’aide à la décision clinique. La présente thèse a démontré l’apport considérable d’une évaluation biomécanique 3D du genou dans la prise en charge orthopédique de patients présentant une rupture du LCA; plus spécifiquement dans l’investigation de l’impact de la blessure et dans l’aide au diagnostic. / The anterior cruciate ligament (ACL) is involved in approximately 20% of all sports-related knee injuries. An injury to the ACL, the primary stabilizer of the knee, will lead to knee joint instability and functional impairment. Unfortunately, current clinical assessments of ACL-deficient patients present limitations with respect to the investigation of the impact of the injury on knee function. A 3D knee biomechanical assessment could provide innovative information to overcome these drawbacks. The main objective of the doctoral theses is to demonstrate the role of biomechanics in (1) the investigation of the impact of the injury on knee function and in (2) the diagnostic process. Twenty-nine ACL-deficient patients and a control group of fifteen healthy participants took part in a 3D knee biomechanical assessment during treadmill walking. By assessing the 3D knee biomechanical patterns of each group we observed that ACL-deficient patients adopted a gait compensatory mechanism: the Pivot-shift avoidance gait. The explanation for this adaptative strategy is to avoid placing the knee in a position biomechanically favorable to anterolateral rotatory instability during gait. Furthermore, an automatic classification method capable of distinguishing ACL deficient patients from an asymptomatic population was developed. Features were extracted from the 3D knee biomechanical patterns using a wavelet decomposition method and then classified by the nearest neighbour rule. The proposed classification method obtained a level of accuracy, sensitivity and specificity of 88%, 90% and 87% respectively. This method shows great potential as a diagnostic aid in a clinical setting. This thesis demonstrates that biomechanics plays a substantial role in the management of ACL injuries by improving the understanding of the impact of the injury on knee function and by its capacity to serve as a diagnostic aid.

Contexte Un objectif important de la prise en charge de l'arthrite juvénile oligoarticulaire serait d'altérer le cours de la maladie à l'aide d'une thérapie hâtive. Nous avons étudié l'effet des injections intra-articulaires de corticostéroïdes hâtives sur les chances d'atteindre un décompte d'articulation active de zéro et une maladie inactive. Méthode Les données démographiques, cliniques et thérapeutiques des patients avec oligoarthrite juvénile enrôlés dans une étude prospective longitudinale pancanadienne ont été collectées pendant 2 ans. Une injection hâtive était définie comme étant reçue dans les 3 premiers mois suivant le diagnostic. Les équations d'estimation généralisées ont été utilisées pour l'analyse statistique. Résultats Trois cent dix patients ont été inclus. Cent onze (35.8%) ont reçu une injection hâtive. Ces derniers avaient une maladie plus active lors de l'entrée dans l'étude. Les patients exposés à une injection hâtive avaient une chance similaire d'obtenir un décompte d'articulation active de zéro, OR 1.52 (IC95% 0.68-3.37), p=0.306 mais étaient significativement moins à risque d'avoir une maladie inactive, OR 0.35 (IC95% 0.14-0.88), p=0.026. Interprétation Dans cette cohorte de 310 patients avec oligoarthrite juvénile, les injections hâtives de corticostéroïdes n'ont pas mené à une probabilité plus élevée d'atteindre un décompte d'articulation active de zéro ou une maladie inactive. Des problématiques méthodologiques intrinsèques à l'utilisation de données observationnelles pour fins d'estimation d'effets thérapeutiques auraient pu biaiser les résultats. Nous ne pouvons affirmer avec certitude que les injections hâtives n'améliorent pas le décours de la maladie. Des études prospectives adressant les limitations soulevées seront requises pour clarifier la question. / Background One of the goals in oligoarticular juvenile idiopathic arthritis would be to alter the disease course with early therapy. We examined the association between early intra-articular corticosteroid injections and the achievement of an active joint count of zero and inactive disease during the first two years after study enrollment. Methods We included oligoarticular juvenile idiopathic arthritis patients enrolled into a prospective longitudinal cohort across Canada. Demographic, clinical and treatment-related information were collected. Early intra-articular corticosteroid injections was defined as having received the first injection within 3 months of diagnosis. Generalized estimating equations were used for data analysis. Results A total of 310 patients were included, of whom 111 (35.8%) received an early injection. Participants who received an early injection had more severe disease at baseline. Patients exposed to early injections had a similar chance to achieve an active joint count of zero, OR 1.52 (95%CI 0.68-3.37), p=0.306 but were significantly less likely to achieve inactive disease, OR 0.35 (95%CI 0.14-0.88), p=0.026. Interpretation In this cohort of 310 oligoarticular juvenile idiopathic arthritis patients, early intra-articular corticosteroid injections did not result in an increased risk of achieving an active joint count of zero or inactive disease. Methodological issues encountered when estimating treatment effect using observational data might have biased the estimates obtained. Firm conclusion on the inefficacy of early injections in improving outcomes in this population cannot be drawn from this study. Prospective studies addressing the limitations raised will be needed to clarify if early injections can alter the disease course.