Rupture of the anterior cruciate ligament (ACL) is a relatively common sports-related injury for which the current treatment is reconstruction with an autograft or allograft. Drawbacks associated with each of the current options would make a prosthetic alternative advantageous, however, artificial ligaments are not widely used, having failed due to lack of biocompatibility and mechanical insufficiencies. To develop the next-generation prosthetic ACL, design control principles were applied including specification of comprehensive design inputs, risk analysis, and verification testing. A design was proposed utilizing polyvinyl alcohol and ultrahigh molecular weight polyethylene, selected for good biocompatibility and mechanical strength and stiffness suitable for ACL replacement. A biomimetic fibrous rope pattern was designed for the intra-articular ligament section of the prosthetic that produced a close match the static tensile behavior of the native ACL and which also demonstrated good resistance to fatigue and creep. A calcium phosphate coating was recommended for the sections of the device lying within the bone tunnel to increase the rate of osseointegration. The proposed design was then evaluated in a computational simulation to assess functional restoration and the effects of installation parameters such as tension and tunnel orientation on knee kinematics. The encouraging results of preclinical verification testing support further in vivo evaluation of the proposed design.

La rupture du Ligament Croisé Antérieur (LCA) est la blessure ligamentaire la plus fréquente avec une incidence de 1/3000. Elle est efficacement traitée aujourd’hui par une reconstruction par autogreffe tendineuse. Cependant, les problèmes causés par le prélèvement du greffon demeurent une limitation importante. Des substituts artificiels offrent une solution alternative mais la rupture et la génération de débris d’usure ont causé l’échec de la majorité des systèmes développés jusqu’à présent. Récemment, des travaux ont montré que des assemblages de fibres synthétiques d’hydrogel d’Alcool PolyVinylique (APV) reproduisent le comportement en traction du LCA humain. L’objectif principal de cette thèse a été d’explorer le potentiel de ces fibres pour la reconstruction ligamentaire en concevant et caractérisant des systèmes implantables pour une étude in vivo chez l’animal. Pour cela, j’ai réalisé une étude expérimentale depuis l’échelle de la fibre jusqu’à celle de l’implant complet. Deux types de fibres d’APV ont été caractérisés, obtenues par filage voie sèche (VS) et voie humide (VH). A l’échelle de la fibre, une étude microscopique et mécanique a mis en évidence un fort effet de l’orientation moléculaire sur le comportement en traction qui permet d’atteindre des modules élastiques très supérieurs à celui de films isotropes ayant un taux de gonflement équivalent. En particulier, les fibres VS présentent à 20°C un comportement en traction proche de celui du LCA. Cette étude montre également une forte dépendance en température du comportement mécanique et l’existence d’un phénomène de recouvrance par lequel des fibres étirées récupèrent leur comportement initial après un repos. Des observations in situ en diffraction des rayons X aux grands angles ont montré que la structure semi-cristalline des fibres résiste au gonflement et à une déformation représentative des sollicitations physiologiques. Un mécanisme microscopique basé sur ces résultats a été proposé qui explique le comportement mécanique des fibres par la dissociation et la reformation de liaisons hydrogène dans la phase amorphe. A l’échelle des assemblages de fibres, une étude systématique sur des structures torsadées et un modèle mécanique de structure double-hélice ont révélé que le gonflement confiné des fibres au sein des structures induit des états de contrainte interne permettant d’augmenter la rigidité des assemblages. A l’échelle de l’implant, des substituts compatibles avec le geste chirurgical ont été conçus grâce à une collaboration avec des partenaires cliniciens et biomécaniciens. Une étude in vivo sur modèle petit animal (lapin) de ligamentoplastie a permis de vérifier la bonne tolérance aux implants avec une encapsulation fibreuse modérée et a montré que le gonflement in vivo d’implants secs n’entraîne pas une réaction biologique délétère. L’ensemble de ces résultats a conduit à la conception d’implants complets à l’échelle du LCA humain qui ont été évalué dans un modèle grand animal (brebis) de ligamentoplastie. L’étude nécropsique et histologique sur les animaux implantés a montré une biocompatibilité comparable à celle observée sur les animaux reconstruits par autogreffe. En revanche, l’étude biomécanique révèle un taux de rupture intra-articulaire important (92%) des implants en fibres d’APV. Ces résultats permettent d’identifier des causes possibles d’endommagement et de proposer des pistes d’amélioration. Plus généralement, la bonne biocompatibilité des fibres d’hydrogel d’APV et leurs propriétés mécaniques en font des systèmes intéressants pour la reconstruction de tissus souples nécessitant une tenue en traction élevée. / The anterior cruciate ligament (ACL) rupture is the most frequent ligament injury with an occurrence of 1/3000. It is effectively treated nowadays by a reconstruction with tendinous autograft. However, the problems caused by the transplant harvest remain an important limitation. Artificial substitutes offer an alternative but the rupture rate and the generation of wear debris caused the failure of the majority of the systems developed until now. Recently, studies showed that assemblies of Poly(Vinyl Alcohol) hydrogel fibers mimic the human ACL behavior. The main objective of this thesis was to explore the potential of theses fibers for the ligament reconstruction by designing and characterizing implantable systems for an in vivo animal study. For that purpose, I conducted an experimental study from the fiber scale to the complete implant scale. Two types of PVA fibers were characterized, one obtained from dry spinning (DS) and the other from wet spinning (WS). At the fiber scale, a microscopic and mechanical study highlighted a strong effect of the molecular orientation on the tensile behavior, which allows to reach a much higher elastic modulus than that of an isotropic film with the same swelling ratio. In particular, DS fibers at 20°C exhibit a tensile behavior close to that of the ACL. This study also shows a strong temperature dependence of the mechanical behavior and the existence of recovery phenomenon by which the stretched fibers recover their initial behavior after a rest. In situ wide angle X-rays scattering showed that the fibers semi-crystalline structure resists to swelling and physiological range stretching. A microscopic mechanism based on these results was proposed to explain the fibers mechanical behavior by the dissociation and reformation of hydrogen bonds in the amorphous phase. At the fiber assemblies scale, a systematic study on twister structures and a l double-helix structure mechanical model revealed that the fibers confined swelling inside a structure induce internal stress leading to an increase of the assemblies stiffness. At the implant scale, substitutes compatible with the surgery were conceived in collaboration with clinicians and biomechanists. An in vivo study on a small animal ligamentoplasty model (rabbit) allowed to verify the implants tolerance with a moderate fibrous encapsulation and showed that the implants in vivo swelling does not induce noxious biological reaction. These results led to the conception of human scale implants which were evaluated in a large animal ligamentoplasty model (sheep). The necropsy and histological study on implanted animals showed a biocompatibility similar to that observed with animals reconstructed with an autograft. However, the biomechanical study revealed an important intra-articular rupture rate (92%) for PVA fibers implants. These results allow to identify possible damage causes and to offer ways of improvement. In general, the good biocompatibility of PVA hydrogel fibers and their mechanical properties make them interesting systems for the reconstruction of soft tissues with high tensile strength.

La luxation du genou, bien que très rare, demeure une blessure dévastatrice car elle entraîne de multiples complications en raison de la nature complexe du traumatisme associé à cette lésion. La luxation peut résulter d'un traumatisme à haute ou basse énergie. Les blessures sévères aux ligaments et aux structures associées donnent à la luxation du genou un potentiel élevé d'atteinte fonctionnelle. Le traitement conservateur, qui était considéré comme acceptable auparavant, est maintenant réservé à un très faible pourcentage de patients. La reconstruction chirurgicale est maintenant préconisée dans la plupart des cas, mais de nombreuses options existent et le traitement chirurgical optimal à préconiser reste controversé. Certains chirurgiens recommandent la reconstruction complète de tous les ligaments endommagés le plus tôt possible, tandis que d'autres, craignant l’établissement d’arthrofibrose, limitent l'intervention chirurgicale immédiate à la reconstruction du ligament croisé postérieur et de l'angle postéro-externe. En raison des multiples structures endommagées lors d’une luxation du genou, les chirurgiens utilisent couramment la combinaison des autogreffes et des allogreffes pour compléter la reconstruction ligamentaire. Les complications associées au prélèvement de la greffe, l'allongement de la greffe, l’affaiblissement précoce du greffon ainsi que les risques de transmission de maladies ont poussé les chirurgiens à rechercher différentes options d’intervention. L'utilisation de matériaux synthétiques pour le remplacement du ligament lésé a été proposée dans les années ´80. Après une première vague d'enthousiasme, les résultats décevants à long terme et les taux élevés d'échec ont diminué sa popularité. Depuis lors, une nouvelle génération de ligaments artificiels a vu le jour et parmi eux, le Ligament Advanced Reinforced System (LARS) a montré des résultats prometteurs. Il a été utilisé récemment dans les reconstructions isolées du ligament croisé antérieur et du ligament croisé postérieur pour lesquelles il a montré de bons résultats à court et moyen termes. Le but de cette étude rétrospective était d'évaluer la fonction et la stabilité du genou après la luxation aiguë suivant la reconstruction des ligaments croisés avec le ligament artificiel de type LARS. Cette étude a évalué 71 patients présentant une luxation du genou et qui ont subi une chirurgie de reconstruction du ligament croisé antérieur et du ligament croisé postérieur à l'aide du ligament LARS. Suite à la chirurgie le même protocole intensif de réadaptation a été suivi pour tous les patients, où la mise en charge progressive était permise après une période d’environ 6 semaines pendant laquelle la force musculaire et la stabilité dynamique se rétablissaient. Les outils d’évaluation utilisés étaient le score Lysholm, le formulaire de «l’International Knee Documentation Committee», le «Short Form-36», les tests cliniques de stabilité du genou, l'amplitude de mouvement articulaire à l’aide d’un goniomètre et la radiographie en stress Telos à 30° et 90° de flexion du genou. Le même protocole d’évaluation a été appliqué au genou controlatéral pour des fins de comparaison. Les résultats subjectifs et objectifs de cette étude sont satisfaisants et suggèrent que la réparation et la reconstruction combinées avec ligaments LARS est une alternative valable pour le traitement des luxations aiguës du genou. Ces résultats démontrent que ces interventions produisent des effets durables en termes d’amélioration de la fonction et révèlent la durabilité à long terme des ligaments artificiels LARS. Les patients sont à la fois plus autonomes et plus satisfaits avec le temps, même si la luxation du genou est considérée comme une catastrophe au moment où elle se produit. Des études prospectives randomisées sont maintenant nécessaires afin de comparer la sélection de la greffe et le délai de reconstruction chirurgicale. / Knee dislocation, although very rare, remains a devastating injury with many complications because of the complex nature of this trauma. This uncommon injury can result from either a high or low energy trauma. The severe damage to the knee’s ligaments and associated structures render this injury at high potential for functional impairment. Non operative treatment which was once deemed acceptable, is now reserved for very low demand patients. Surgical reconstruction is now the standard of care for most patients, however many options exist but the optimal surgical treatment remains controversial. Some surgeons advocate early complete reconstruction of all damaged ligaments, whereas others who fear arthrofibrosis, limit the immediate surgery to reconstruction of the posterior cruciate ligament and the posterolateral corner. Because of the multiple structures damaged by knee dislocations, surgeons have been successfully using combinations of autografts and allografts for complete knee ligament reconstruction. Complications associated with graft harvesting, graft elongation and early weakness as well as risks for disease transmission has pushed surgeons to look for different options. The use of synthetic material for ligament replacement was proposed in the 1980’s. After an initial wave of enthusiasm, poor long term results and high rates of failure diminished its popularity. Since then, a new generation of artificial ligaments has emerged, the Ligament Advanced Reinforced System (LARS) has shown promising results. It recently has been used in isolated anterior cruciate ligament and posterior cruciate ligament reconstruction and has shown good short to medium term results. The purpose of this retrospective study was to evaluate the knee function and stability after acute knee dislocation reconstructed with LARS artificial ligaments. This study assessed the results of 71 patients with knee dislocations who underwent acute combined repair and reconstruction of anterior cruciate ligament and posterior cruciate ligament using LARS artificial ligaments. After the surgery all patients followed the same intensive rehabilitation protocol. Progressive weight bearing was permitted over 6 weeks as muscle strength and dynamic stability were regained. The outcome measures used were the Lysholm score, the International Knee Documentation Committee form, the Short Form-36, clinical knee stability testing, a goniometer to mesure the range of motion and Telos stress radiography at 30° and 90° of knee flexion. The non-operated knee of the patient was used as a baseline for the operated knee. The subjective and objective findings from this study are satisfactory and suggest that acute combined repair and reconstruction with LARS ligaments is a valid alternative for treating acute knee dislocations. These findings demonstrate sustained results in terms of function and revealed durability of LARS artificial ligaments at long-term. Patients seem to get more autonomous and satisfied with time even though acute knee dislocation is seen as a catastrophe when it happens. Randomised, prospective trials are now needed to compare graft selection and timing of the surgical reconstruction.

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