L’analyse 3D du mouvement humain repose généralement sur un ensemble d’hypothèses permettant de modéliser et d’approcher la complexité du corps humain. Le but de ce travail de thèse est de s’affranchir des hypothèses les plus classiques (liaisons simples et parfaites de type rotule ou pivot) dans les calculs de cinématique et de dynamique inverse allant jusqu'à l'estimation des forces musculo-tendineuses. La première partie de la thèse traite de la cinématique articulaire du genou à l’aide de modèles cinématiques « géométriques » représentant les structures anatomiques par des éléments simples (sphère, plan, barre). Ces modèles apparaissent sous la forme de contraintes lors des calculs de cinématique (effectués notamment par optimisation multi-segmentaire). Le travail réalisé a consisté à introduire des ligaments déformables par l’utilisation de méthodes de pénalités pour la gestion de cescontraintes. Il a été montré que ces méthodes, utilisées avec un modèle géométrique générique, permettaient une amélioration de l’estimation de la cinématique du genou in-vivo basée sur des marqueurs cutanés (par rapport aux autres méthodes classiques) en introduisant des couplages articulaires physiologiques. La flexibilité des méthodes permet également d’envisager lapersonnalisation des modèles. La seconde partie se penche sur la dynamique du membre inférieur en étudiant l’influence des actionspassives des structures péri-articulaires durant la marche. Le travail a consisté en une étude locale et une étude globale de ces actions. L’étude locale a montré que l’influence des moments passifs ligamentaires reste limitée sur les forces musculo-tendineuses et les forces de contact articulaire. L’étude globale a montré que les moments passifs de l’ensemble des structures péri-articulaires ontune contribution substantielle aux moments moteurs durant la marche et que les modèles de moments passifs ligamentaires disponibles dans la littérature ne sont pas fiables. L’ensemble de ces développements cherche, à terme, à permettre une approche multi-échelle de la modélisation du membre inférieur. Dans cette optique, la modélisation articulaire proposée (avec desliaisons qui ne sont plus ni simples ni parfaites) permet un couplage plus adapté entre les différentes modélisations (de type multi-corps rigides articulés et éléments finis). / The main objective of this work is to overcome the most classical hypotheses used in kinematics (lower pair mechanical joints) and inverse dynamics computation (joints without resistance) including the estimation of muscular forces. Kinematics is addressed in the first part of the thesis by using “geometric” kinematic models consisting in simple elements (sphere, plane, shaft) modeling the anatomical structures. These models correspond to constraints in the kinematic computation (especially in multi-body optimization). The work consisted in introducing deformable ligaments by using a penalty-based method. It has beenshowed that this method used with a generic geometric model improved the estimation of the knee kinematics from the skin markers, when compared to more classical methods, and introduce physiological couplings between the degrees of freedom. Model personalization is also considered thanks to the flexibility of the method. The influence of the passive structure actions during gait is studied in the second part of the thesis. The work consisted in a local and a global study of those actions. The local study showed that the influence on the joint contact and musculo-tendon forces of the ligament passive moments is limited. The global study showed that the passive moments of the whole peri-articular structures contribute to the motor moments during gait and that the passive ligament moments available in the literature are not appropriate. The long term objective of those studies is to develop a multi-scale approach of the lower limb modeling. The proposed articular modeling (with more complex joints) allows a better interaction between the different scales of modeling (rigid multi-body vs. finite elements).

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.

Cette thèse est une contribution à l'amélioration de la connaissance des comportements mécaniques des tissus biologiques, en particulier dans le contexte accidentologique. L'objectif de cette étude biomécanique est de faire le lien entre les notions de lésions utilisées en clinique et celles d'endommagement et de rupture utilisées en mécanique. Elle porte sur la modélisation du comportement des ligaments dans l'articulation du genou humain, et s'intéresse plus particulièrement à l'insertion du ligament dans l'os. Les lésions qui touchent cette structure se produisent soit dans le ligament, soit dans une région proche de la zone de transition entre l'os et le ligament. Ce problème est original sur les plans anatomique et mécanique. Sur le plan anatomique, il n'existe pas de description fine (c'est-à-dire à l'échelle microscopique) de l'architecture de cette transition, qui paraît brutale à l'oeil nu et qui est un lieu possible de lésion ligamentaire. Sur le plan mécanique, il s'agit de l'étude d'un tissu biologique, qui comprend de plus la transition entre un tissu dur minéralisé (l'os) et un tissu mou non minéralisé à fibres longues (le ligament). La méthodologie a donc été de comprendre le fonctionnement de l'articulation du genou et les lésions et traumatismes dont elle est le lieu, de connaître la composition et l'organisation des tissus qui constituent cette transition, au moyen d'un étude histologique, de décrire son comportement mécanique dans le fonctionnement du ligament, par le développement d'un protocole expérimental, et enfin de développer un modèle de comportement de l'insertion ligamentaire. L'étude porte sur les ligaments croisé postérieur et latéral externe, ligaments dont les mécanismes lésionnels dans le cas des accidents de la route ont été plus particulièrement étudiés. L'architecture de la zone de transition en microscopies optique et électronique a été décrite et a montré qu'elle est la superposition d'un front de minéralisation et d'un changement de la structure du tissu (présence de cartilage fibreux). Cette transition se fait sur une longueur d'environ 300 micromètres. Les essais expérimentaux de traction ont été réalisés sur la structure insertion ligamentaire - ligament - insertion ligamentaire prélevée sur sujets d'anatomie. La sollicitation a été appliquée soit dans la direction des fibres ligamentaires, soit une direction réaliste du point de vue physiologique. Les protocoles développés permettent de faire des essais cycliques sans endommager les tissus et des essais à rupture sous sollicitations quasi-statiques (1 mm/s et 20 mm/s) et dynamiques (0.5 m/s et 1 m/s). Pour les essais dans la configuration physiologique, les genoux ont été testés en extension complète (station érigée) et à 120 degrés de flexion (position de conduite). Les résultats expérimentaux montrent que, pour les vitesses et amplitudes testées, les ligaments dissipent de l'énergie par frottement interne et que leur comportement est très dépendant de l'angle de flexion du genou. La rupture se produit toujours par arrachement osseux au niveau de l'os cortical en quasi-statique. En dynamique, pour la vitesse testée, il y a toujours décohésion entre fibres dans le ligament, mais la rupture se produit le plus souvent par arrachement de l'os spongieux en profondeur. L'étude du comportement du ligament (influence de l'orientation de l'insertion ligamentaire) et de la micro-structure de l'insertion nous ont menés à choisir un modèle d'interface pour décrire son comportement. Deux modèles de zones cohésives (couplant frottement, adhésion et éventuellement endommagement) ont été développés pour prédire les lésions par arrachement osseux et par décohésion entre les fibres ligamentaires.

Ce travail traite de l’atomisation des structures ligamentaires. Cette étude est focalisée sur les ligaments produits par des jets libres de solutions viscoélastiques diluées. La description multi-échelles est utilisée pour étudier les dynamiques d’amincissement de ces ligaments. La description multi-échelles d’un système liquide est initialement présentée : elle décrit le système à travers sa distribution d’échelles. Cette description est appliquée à des ensembles théoriques ainsi qu’à des systèmes modélisant les ligaments étudiés, améliorant la compréhension de cet outil de description. De nouvelles méthodes sont utilisées pour mesurer les distributions d’échelles : méthode de segmentation d’images sub-pixels et méthode de Monte-Carlo. Leur combinaison apporte une amélioration notable aux petites échelles et permettent une mesure des distributions d’échelles 3D. Ce résultat incite à revisiter les études antérieures où la description multi-échelles a été utilisée. A notre connaissance, c’est la première fois qu’une étude sur les jets libres de solutions viscoélastiques diluées est réalisée de manière statistique. L’influence de trois paramètres est étudiée : la concentration en polymère de la solution, les dimensions de la buse d’injection et le débit d’injection. Basé sur les résultats donnés par la description multi-échelles, un protocole d’identification des régimes d’amincissement des ligaments est présenté. Les caractéristiques de ces régimes sont mesurées, en particulier le temps de relaxation de la solution. Les temps mesurés sont compris entre 24 μs et 6,3 ms, ce qui est en accord avec les temps de relaxation mesurés dans la littérature pour les jets. L’approche multi-échelles confirme ici sa pertinence pour l’étude des processus d’atomisation. Les temps de relaxation mesurés présentent une forte corrélation vis-à-vis du taux de déformation subit par la solution durant l’injection. Ce résultat indique que la solution a subi une dégradation mécanique. Il convient de tenir compte de l’étape d’injection lorsque l’on souhaite atomiser de telles solutions viscoélastiques diluées. / This work concern the atomization of ligament structures. This study focuses on ligaments produced by free jets of dilute viscoelastic solutions. The multi-scale description is used to study the thinning dynamics of these ligaments. The multi-scale description of a liquid system is initially presented: it describes the system through its scale distribution. This description is applied to theoretical systems as well as to systems modelling the ligaments studied, improving the understanding of this description tool. New methods are used to measure the scale distributions: sub-pixel image segmentation method and Monte-Carlo method. Their combination provides a significant improvement at small scales and allows a measurement of 3D scale distributions. This result prompts us to revisit previous studies where the multi-scale description was used. To our knowledge, this is the first time that a study on free jets of dilute viscoelastic solutions has been carried out statistically. The influence of three parameters is studied: the polymer concentration of the solution, the dimensions of the injection nozzle and the injection flow rate. Based on the results of the multi-scale description, a protocol for identifying ligament thinning regimes is presented. The characteristics of these regimes are measured, in particular the relaxation time of the solution. The measured times are between 24 μs and 6.3 ms, which is in accordance with the relaxation times measured in the literature for jets. The multi-scale approach here confirms its relevance for the study of atomization processes. The measured relaxation times show a strong correlation with the deformation rate of the solution during injection. This result indicates that the solution has undergone mechanical degradation. The injection step should be taken into account when atomizing such dilute viscoelastic solutions.

L'ingénierie tissulaire du ligament constitue une approche prometteuse pour réparer ou remplacer un ligament endommagé. Les trois piliers essentiels de l'ingénierie tissulaire ligamentaire sont la matrice de support (aussi appelée scaffold), la source cellulaire, ainsi que l'apport de stimulations biomécaniques/biochimiques : ces trois piliers ont été partiellement étudiés par le passé dans le but de s’orienter vers une régénération ligamentaire. Dans la présente étude, le polymère synthétique poly (L-lactide-co-ε-caprolactone) (PLCL) et la soie ont été proposés et comparés comme de potentiels candidats pour la constitution d’une matrice de support. Une série de matrices tressées multicouches à base de PLCL et de soie, ainsi qu'un nouveau composite soie/PLCL ont été développés et comparés. Les caractérisations physico-chimiques et biologiques ont démontré que le PLCL et la soie constituent des candidats pertinents, tant sur les plans mécaniques que biologiques, pour la constitution d’une matrice de support. De plus, nous avons montré que le composite soie/PLCL offrait des propriétés mécaniques et une biocompatibilité accrue par rapport aux autres matrice testées, et constituait probablement le candidat le plus approprié pour l'ingénierie tissulaire du ligament. Les cellules souches mésenchymateuses (CSM) de la gelée de Wharton (WJ-MSCs) ainsi que les cellules souches mésenchymateuses de la moelle osseuse (BM-MSCs) ont été évaluées et comparées en tant que sources cellulaires potentielles pour la régénération ligamentaire. Les caractéristiques biologiques de ces cellules incluent l’adhésion cellulaire, la prolifération, la migration et la synthèse de matrice extracellulaire. Ces deux types de cellules ont montré une bonne biocompatibilité dans leurs interactions avec les matrices de support en PLCL et en soie. Aucune différence significative n'a été observée entre les WJ-MSCs et les BM-MSCs. Enfin, l'effet de la stimulation biomécanique sur la différentiation des CSM en tissu ligamentaire a été évalué par le biais d’un bioréacteur de traction-torsion. Bien que peu de cellules aient été détectées la matrice après 7 jours de stimulation, des CSM de forme allongée le long des fibres ont été détectées, ce qui permet de penser qu'il est possible de promouvoir la différenciation des biosubstituts matrice-cellules grâce à la stimulation mécanique en bioréacteur. En conclusion, cette étude démontre le potentiel prometteur de l’association de cellules souches mésenchymateuses issues de la gelée de Wharton ou de la moelle osseuse avec une matrice de support composite soie/PLCL pour la régénération ligamentaire dans le futur. / Ligament tissue engineering offers a potential approach to recover or replace injured ligament. The three essential elements that have been investigated towards ligament regeneration consist in a suitable scaffold, an adapted cell source, and the supply of biomechanical/biochemical stimulations. In the current study, synthetic polymer poly (L-lactide-co-ε-caprolactone) (PLCL) and silk have been evaluated as suitable candidates to constitute an adapted scaffold. A series of multilayer braided scaffolds based on PLCL and silk, as well as an original silk/PLCL composite scaffold, have been developed and compared. The conducted physicochemical and biological characterizations have demonstrated that both PLCL and silk constitute adapted candidate material to form ligament scaffolds from the mechanical and biological points of view. Moreover, it has been observed that silk/PLCL composite scaffold resulted in adequate mechanical properties and biocompatibility, and therefore could constitute suitable candidate scaffolds for ligament tissue engineering. Both Wharton’s Jelly mesenchymal stem cells (WJ-MSCs) and Bone marrow mesenchymal stem cells (BM-MSCs) have been evaluated to be cell source for ligament regeneration. MSCs behaviors including cell attachment, proliferation, migration and extracellular matrix synthesis have been investigated. In the present study, both MSCS showed a good biocompatibility to interact with PLCL and silk scaffolds. No significant differences have been detected between WJ-MSCs and BM-MSCs. Finally, the effect of biomechanical stimulation on MSCs differentiation towards ligament tissue has been carried out with a tension-torsion bioreactor. Although few cells were detected on scaffold after 7 days of stimulation, MSCs were observed to exhibit an elongated shape along the longitudinal direction of fibers, which may indicate that an adapted mechanical stimulation could promote MSC-scaffold constructs differentiation towards ligamentous tissue. As a conclusion, this study demonstrates the potential of WJ-MSCs and BM-MSCs combined with a new silk/PLCL composite scaffold towards ligament regeneration.