L’ostéoporose est une maladie fréquente et généralisée du squelette qui se caractérise par une perte de masse osseuse et des altérations de la structure des os. Ces variations des propriétés osseuses, observées à diverses échelles et associées à une augmentation du contenu adipeux de la moelle, témoignent d’une plus grande fragilité du squelette. Ces modifications sont cependant différentes en fonction du site. Cette variation du contenu adipeux médullaire, rapportée notamment dans les os longs du squelette appendiculaire, semble jouer un rôle crucial dans la survenue de l’ostéoporose. Néanmoins, ces altérations ostéo-médullaires, aussi bien quantitatives que qualitatives, sont controversées et peu documentées au niveau des maxillaires, la mandibule en particulier. Le but de notre étude est d’évaluer, au cours du vieillissement et dans un modèle d’ostéoporose (ratte adulte ovariectomisée), les relations entre les variations du contenu adipeux médullaire et la microarchitecture osseuse en site mandibulaire en comparaison avec un site de référence, le tibia. La microarchitecture osseuse, la quantité et la répartition du contenu adipeux médullaire après marquage au tétroxyde d’osmium ont été analysées par microtomographie à rayons X dans la mandibule dentée (os alvéolaire) et non dentée (condyle). Au cours du vieillissement, aucune altération des paramètres osseux et médullaires n’a été mise en évidence. En revanche, le déficit hormonal en oestrogènes induit par ovariectomie conduit à une perte osseuse plus marquée (+35%) dans le tibia que dans la mandibule, associée à des modifications microarchitecturales et adipeuses médullaires site-spécifiques. En effet, en comparaison avec le tibia, un faible contenu adipeux (<10% de moelle) est retrouvé dans le secteur denté (alvéolaire) ainsi que non denté (condyle). A la différence du tibia, au sein duquel un effet de « clustering » des adipocytes est observé à la surface osseuse trabéculaire, le contenu adipeux mandibulaire est réparti de manière homogène dans les espaces médullaires avec très peu de contact avec la surface osseuse trabéculaire. En conclusion, nos résultats indiquent une perte osseuse modérée dans la mandibule par rapport au tibia associée à une augmentation du contenu adipeux médullaire tardive dont la répartition au sein des espaces médullaires n’est pas modifiée à la différence du tibia. Nous émettons l’hypothèse qu’une activité de remodelage et des sollicitations biomécaniques différentes puissent expliquer les spécificités physiopathologiques observées en site mandibulaire. D’autres études seront nécessaires pour préciser l’impact de telles modifications sur la qualité osseuse à l’échelle moléculaire et élémentaire, ainsi que pour préciser les mécanismes de dialogues entre les ostéoblastes et les adipocytes. / Osteoporosis is a common disease of the skeleton characterized by a loss of bone mass and changes in bone structure. These variations in bone properties, observed at various scales and associated with an increase in the bone marrow adipose tissue (BMAT) content, indicate a greater fragility of the skeleton in a site-specific manner. This variation in the BMAT content, reported in some skeletal sites, seems to play a crucial role in the occurrence of osteoporosis. Nevertheless, these bone and marrow alterations, both quantitative and qualitative, are controversial and still poorly documented in the jaw bones, the mandible in particular.The aim of our study was to investigate, during aging and in a rodent model of osteoporosis (adult ovariectomized rat), the relationships between the changes in the bone microstructure, the marrow fat content and its distribution in the mandibular site in comparison with a reference site, the tibia. The bone microstructure, the bone marrow fat content and its distribution after osmium tetroxide staining were analyzed by a specific X-ray microfocus tomography approach in the mandible in the teeth-bearing area (alveolar bone) and in the condyle. During aging, neither bone nor bone marrow alterations have been observed. In contrast, estrogen deficiency did lead to more important bone loss (+35%) in the tibia than in the mandible associated with site-specific microstructural and BMAT modifications. Indeed, in comparison with the tibia, a low BMAT content (<10% of marrow volume) was found in the alveolar bone as well as in the condyle. Compared to tibia which reveals a clustering of the marrow adipocytes at the trabecular bone surface, the mandibular BMAT content was homogeneously distributed and located further away with almost no contact with the trabecular bone surface. In conclusion, our results indicate a moderate bone loss in the mandible compared to the tibia associated with an increase in the BMAT content whose distribution within the marrow spaces is not modified in contrast to tibia. We hypothesize that a differential bone turn-over rate, biomechanical stress may explain in part the mandibular physiopathological specificities reported. Further studies will be needed to precise the impact of such alterations on bone quality at the molecular and elemental level, as well as to depict the mechanisms of dialog between osteoblasts and adipocytes.

Die vorliegende Arbeit liefert einen Beitrag zum Verständnis der elektrochemischen Prozesse an der Elektrodengrenzfläche und im Festkörper graphitischer Anoden für Lithium-Ionen-Batterien. Der Zusammenhang zwischen den intrinsischen Eigenschaften des Aktivmaterials und den resultierenden Eigenschaften von Kompositelektroden stand dabei im Fokus der Untersuchungen. Die Temperaturabhängigkeit von Materialeigenschaften (Diffusionskoeffizient, Austauschstromdichte) und Elektrodeneigenschaften (Verhalten unter Strombelastung) wurde in einem Bereich von 40 °C bis -10 °C erfasst. Dazu werden elektrochemische Charakterisierungsmethoden aus der Literatur vorgestellt und hinsichtlich ihrer Gültigkeit für die Anwendung an realen Elektroden evaluiert. Die elektrochemisch aktive Oberfläche wurde bestimmt und stellte sich als ausschlaggebender Parameter für die Bewertung der Elektrodenprozesse heraus. Auf Basis korrigierter Elektrodenoberflächen konnten Austauschstromdichten für die konkurrierenden Prozesse Lithium-Interkalation und -Abscheidung ermittelt werden. Zusammen mit Kennwerten zur Keimbildungsüberspannung für Lithium-Abscheidung flossen die ermittelten Kennwerte in eine theoretische Berechnung des Zellstroms ein. Es konnte gezeigt werden, dass die Lithium-Abscheidung kinetisch deutlich gegenüber der Lithium-Interkalation bevorzugt ist, nicht nur bei niedriger Temperatur. Die Übertragbarkeit wissenschaftlicher Grundlagenexperimente auf kommerzielle Systeme war bei allen Versuchen Gegenstand der Untersuchungen. In einem separaten Beispiel einer Oberflächenmodifikation mit Zinn wurde diese Problematik besonders verdeutlicht. Zusätzlich wurde die parasitäre Abscheidung von Lithium auf graphitischen Anoden hinsichtlich der Nachweisbarkeit und Quantifizierung evaluiert. Hierfür wurde eine neue Untersuchungsmethode im Bereich der Lithium-Ionen-Batterie zur besseren Detektion von Lithium-Abscheidung und Grenzflächen-Morphologie mittels Elektronenmikroskopie entwickelt. Die Osmiumtetroxid (OsO4) Färbung ermöglichte eine deutliche Verbesserung des Materialkontrasts und erlaubte somit eine gezielte Untersuchung von graphitischen Anoden nach erfolgter Lithium-Abscheidung. Darüber hinaus konnte die selektive Reaktion des OsO4 für eine genauere Betrachtung der Solid Electrolyte Interphase genutzt werden. Eine Stabilisierung der Proben an Luft und im Elektronenstrahl konnte erreicht werden. / This work sheds light on the electrochemical processes occurring at commercially processed graphitic anodes. It raises the question whether values published in literature for mostly ideal electrode systems can be readily taken for simulation and design of real electrodes in high-energy cells. A multiple step approach is given, evaluating different methods to determine electrode and material properties independently. The electrochemically active surface area was shown to be a crucial parameter for the calculation of electrode kinetics. Using exchange current densities corrected for the electrode surface area, the overall charging current in a cell could be calculated. The resulting part of lithium deposition in the charging process is strikingly high, not only at low temperatures. To further investigate lithium deposition in terms of morphology and quantity, a method was developed for graphitic anodes. Osmium tetroxide (OsO4) staining serves well as a tool to strongly increase material contrast in electron microscopy. Thus lithium dendrites could be made visible in an unprecedented manner. Furthermore, the selective chemical reaction of osmium tetroxide allows for a better investigation of the multi-layer solid electrolyte interphase as was shown in transmission electron microscopy. Using the staining method, a stabilization of the sample under air and in the electron beam could be achieved.

Die vorliegende Arbeit liefert einen Beitrag zum Verständnis der elektrochemischen Prozesse an der Elektrodengrenzfläche und im Festkörper graphitischer Anoden für Lithium-Ionen-Batterien. Der Zusammenhang zwischen den intrinsischen Eigenschaften des Aktivmaterials und den resultierenden Eigenschaften von Kompositelektroden stand dabei im Fokus der Untersuchungen. Die Temperaturabhängigkeit von Materialeigenschaften (Diffusionskoeffizient, Austauschstromdichte) und Elektrodeneigenschaften (Verhalten unter Strombelastung) wurde in einem Bereich von 40 °C bis -10 °C erfasst. Dazu werden elektrochemische Charakterisierungsmethoden aus der Literatur vorgestellt und hinsichtlich ihrer Gültigkeit für die Anwendung an realen Elektroden evaluiert. Die elektrochemisch aktive Oberfläche wurde bestimmt und stellte sich als ausschlaggebender Parameter für die Bewertung der Elektrodenprozesse heraus. Auf Basis korrigierter Elektrodenoberflächen konnten Austauschstromdichten für die konkurrierenden Prozesse Lithium-Interkalation und -Abscheidung ermittelt werden. Zusammen mit Kennwerten zur Keimbildungsüberspannung für Lithium-Abscheidung flossen die ermittelten Kennwerte in eine theoretische Berechnung des Zellstroms ein. Es konnte gezeigt werden, dass die Lithium-Abscheidung kinetisch deutlich gegenüber der Lithium-Interkalation bevorzugt ist, nicht nur bei niedriger Temperatur. Die Übertragbarkeit wissenschaftlicher Grundlagenexperimente auf kommerzielle Systeme war bei allen Versuchen Gegenstand der Untersuchungen. In einem separaten Beispiel einer Oberflächenmodifikation mit Zinn wurde diese Problematik besonders verdeutlicht. Zusätzlich wurde die parasitäre Abscheidung von Lithium auf graphitischen Anoden hinsichtlich der Nachweisbarkeit und Quantifizierung evaluiert. Hierfür wurde eine neue Untersuchungsmethode im Bereich der Lithium-Ionen-Batterie zur besseren Detektion von Lithium-Abscheidung und Grenzflächen-Morphologie mittels Elektronenmikroskopie entwickelt. Die Osmiumtetroxid (OsO4) Färbung ermöglichte eine deutliche Verbesserung des Materialkontrasts und erlaubte somit eine gezielte Untersuchung von graphitischen Anoden nach erfolgter Lithium-Abscheidung. Darüber hinaus konnte die selektive Reaktion des OsO4 für eine genauere Betrachtung der Solid Electrolyte Interphase genutzt werden. Eine Stabilisierung der Proben an Luft und im Elektronenstrahl konnte erreicht werden. / This work sheds light on the electrochemical processes occurring at commercially processed graphitic anodes. It raises the question whether values published in literature for mostly ideal electrode systems can be readily taken for simulation and design of real electrodes in high-energy cells. A multiple step approach is given, evaluating different methods to determine electrode and material properties independently. The electrochemically active surface area was shown to be a crucial parameter for the calculation of electrode kinetics. Using exchange current densities corrected for the electrode surface area, the overall charging current in a cell could be calculated. The resulting part of lithium deposition in the charging process is strikingly high, not only at low temperatures. To further investigate lithium deposition in terms of morphology and quantity, a method was developed for graphitic anodes. Osmium tetroxide (OsO4) staining serves well as a tool to strongly increase material contrast in electron microscopy. Thus lithium dendrites could be made visible in an unprecedented manner. Furthermore, the selective chemical reaction of osmium tetroxide allows for a better investigation of the multi-layer solid electrolyte interphase as was shown in transmission electron microscopy. Using the staining method, a stabilization of the sample under air and in the electron beam could be achieved.