Caractérisation mécanique et modélisation thermodynamique du comportement anisotrope du polyéthylène à haute densité. Intégration des effets d'endommagement

L objectif de ce mémoire de thèse est de contribuer à la connaissance du comportement mécanique en grandes déformations du Polyéthylène à Haute Densité anisotrope obtenu par extrusion de plaques. Nous présentons le protocole et les résultats expérimentaux de traction séquencée, comportant des décharges, recharges et relaxations monotones et cycliques. Ces campagnes d essais sont également centrées sur la mesure en temps réel de la variation de volume liée aux phénomènes d endommagement. Les résultats sont présentés pour différentes orientations d éprouvettes prélevées dans des plaques extrudées. La modélisation thermodynamique de l ensemble des résultats, a fait l objet d un développement original conduisant à la prédiction unifiée de grandeurs en 3D : contrainte vraie axiale, déformations vraies transversales. Le modèle prévoit également le développement de l endommagement et permet de mettre en évidence une variable tensorielle de dommage. L identification des paramètres du modèle thermodynamique sur la base de données expérimentales conduit à des grandeurs physiques conformes aux caractéristiques de la microstructure. Ce travail ouvre la perspective d un enrichissement de l approche thermodynamique dans la direction de la prévision de l anisotropie plastique induite des polymères semi-cristallinsThe aim of this thesis is to contribute to the knowledge of the mechanical behavior in large strains of anisotropic High Density PolyEthylene (HDPE), obtained by extrusion of plates. We present the experimental procedure and the results for traction, with unloading, reloading and relaxation in monotonous and cyclic conditions. This work is also concerned with the measure in real time of the volume strain due to the phenomena of damage. The results are given for various orientations of specimen within the extruded plates. The thermodynamic modeling of the whole the results, is the subject of an original development leading to the unified prediction of measures in 3D: axial true stress, transverse true strains. The model also predicts the development of the damage and offer the possibility to introduce a tensorial damage variable. The identification of the model parameters on the basis of experimental data leads to physical quantities in conformity with the characteristics of the microstructure. This work opens the prospect for an enrichment of the thermodynamic approach in the direction of the prediction of the induced plastic anisotropy of semi-crystalline polymersNANCY-INPL-Bib. électronique (545479901) / SudocSudocFranceF

Ingénierie tissulaire des ligaments (conception d'un bioréacteur et étude des propriétés mécaniques)

L ingénierie tissulaire vise à l élaboration de prothèses biologiques par la régénération ou la culture, in vitro ou in vivo, de tissus ou d organes. Dans la stratégie de culture in vitro, le développement de nouveaux outils, tels que des bioréacteurs, permettant la culture de cellules ou de tissus sous sollicitations mécaniques spécifiques au tissu est primordial. De plus, l avancée de cette discipline dans la régénération des tissus nécessite de développer, dès à présent, des méthodes d évaluation mécanique satisfaisantes permettant de comparer ces néo-tissus aux tissus sains selon des critères de sollicitations physiologiques. En effet, pour parvenir à une bonne évaluation de ces matériaux, il est nécessaire de pouvoir les tester sur des chargements représentatifs des sollicitations physiologiques auxquelles ils sont soumis. Nous avons ainsi, dans un premier temps, conçu et développé un bioréacteur de ligaments permettant la culture de cellules stimulées mécaniquement par des sollicitations cycliques de traction-torsion. Ce bioréacteur a été dimensionné afin de pouvoir obtenir des bio-prothèses de taille comparable aux ligaments et tendons à remplacer (4 à 5 cm de long). Nous avons, dans un deuxième temps, développé un modèle du comportement mécanique global de ces tissus à partir du formalisme thermodynamique développé au sein de notre laboratoire et des observations faites sur des tendons d Achille de lapin. Ce modèle a pour but d approfondir la compréhension des structures intervenant de façon prépondérante dans la qualité mécanique de ces tissus ainsi que l évaluation et l optimisation des matrices de support et des néo-tissus devant s y substituerTissue Engineering aims to fabricate bio-prostheses by regenerating or culture, in vivo or in vitro, tissues or organs. In the in vitro strategy, developing new tools such as bioréactors which allow the culture of cells or tissues under their specific mechanical solicitations is a huge point. Moreover, the last advances of this discipline in regeneration of tissues require new mechanical model allowing their evaluation and comparison to native tissue under physiological loading. Indeed, in order to obtain a good evaluation of their mechanical quality, it is important to be able to applied mechanical solicitations linked to physiological ones. As a first step, a bioreactor of ligament allowing the culture of cells under mechanical solicitations of cyclic traction-torsion was designed and developed. This bioreactor was sized to potentially obtain a bio-prosthesis comparable to native tissue in term of size (4 to 5 cm long). In a second time, a mechanical model was elaborated based on a thermodynamic formalism developed in our laboratory and the observation made on rabbit Achilles tendons. The goals of this model are to improve our knowledge on the mayor structures involved into the mechanical quality of theses tissues and to evaluate and optimise the scaffolds and neo-tissues of substitutionNANCY-INPL-Bib. électronique (545479901) / SudocSudocFranceF

Symmetry analysis and invariance relations in creep

International audienceA novel and rational approach based on Lie analysis is proposed to investigate the mechanical behaviour of materials exhibiting experimental master curves. Our approach relies on the idea that the mechanical response of materials is associated with hidden symmetries; the general objective of this contribution is to reveal those symmetries from measurements and to construct constitutive laws from them. This approach provides a priori two ways of formulating constitutive laws from data as well as the possibility of predicting new master curves and material charts. The first part of the paper is devoted to the presentation of the general methodology. Afterwards, the strategy is applied to the uniaxial creep and rupture behaviour of a Chrome-Molybdene alloy (9Cr1Mo) at different temperatures and stress levels. Constitutive equations for creep and rupture master responses are identified for this alloy and validated on experimental data

Vers un nouveau biosubstitut pour l'ingénierie tissulaire du ligament croisé antérieur (approche biomécanique)

L'ingénierie tissulaire, qui consiste à remplacer un tissu lésé par un biosubstitut constitué de cellules réparatrices ensemencées dans une matrice de support biodégradable, possède un potentiel prometteur pour la réparation du Ligament Croisé Antérieur (LCA). Or, aucune solution opérationnelle n'a encore été proposée à ce jour, notamment au vu du nombre de domaines scientifiques impliqués. Dans ce travail, nous avons dressé un cahier des charges pour la définition de cette matrice en nous appuyant sur l'état de l'art. Une matrice de support tressée multicouche constituée de fibres de P(LL85/CL15) a été imaginée, puis les outils nécessaires à sa fabrication à l'échelle du laboratoire ont été mis en place. Nous avons ensuite développé des outils numériques spécifiques permettant la modélisation de sa géométrie et de son comportement biomécanique multi-échelles, qui ont été mis à profit afin d?optimiser les caractéristiques de la matrice compte tenu du cahier des charges établi. De plus, des caractérisations biologiques ont montré que la matrice était compatible avec la culture de cellules souches, et était susceptible d?accueillir la formation d'un néo-tissu. Par ailleurs, nous avons mis en place un bioréacteur spécifique permettant d'imposer à la matrice de support des cycles de traction-torsion sous environnement contrôlé. L'utilisation des informations locales issues de la modélisation biomécanique, afin d'interpréter ou d'optimiser les résultats de culture cellulaire sous sollicitations cycliques, constitue une perspective majeure du présent travail. Notre investigation permet en outre de penser qu'un nouveau biosubstitut pour le LCA pourrait prochainement être proposéTissue engineering, which consists in replacing an injured tissue with a biodegradable scaffold seeded with cells, has the potential to overcome the limitations associated with current reconstructions strategies of the Anterior Cruciate Ligament (ACL). However, no relevant solution has been proposed yet, especially due to the variety of scientific fields involved in this approach. In the current study, the key requirements for the design of a new scaffold have been listed from the current state of art. A scaffold based on P(LL85/CL15) fibers arranged into a multilayer braided structure has been proposed, and the tools needed to process this scaffold have been developed. Dedicated numerical tools have been proposed in order to predict the morphological and multiscale biomechanical behavior of the scaffold. These simulation tools have enabled to optimize the scaffold geometry in order to match the selected key requirements for ACL tissue engineering. Moreover, preliminary biological assessments have shown that the scaffold was suited for the culture of stem cells and for tissue formation. In addition, a dedicated bioreactor has been developed in order to prescribe tension-torsion cycles within a controlled environment. The use of local information issued from the biomechanical simulations open large perspectives as far as the optimization of culture conditions and the understanding of mechanisms that govern the formation of a ligamentous tissue are concerned. As a conclusion, the present study is likely to enable a new solution for ACL tissue engineering to emerge in the next yearsMETZ-SCD (574632105) / SudocNANCY1-Bib. numérique (543959902) / SudocNANCY2-Bibliotheque electronique (543959901) / SudocNANCY-INPL-Bib. électronique (545479901) / SudocSudocFranceF

Sur le couplage des mécanismes de déformation intervenant dans le comportement élasto-visco-plastique du PEHD

Nous avons développé un outil de simulation numérique directe, basé sur une approche par domaine fictif, et adapté pour les suspensions de particules solides dans une matrice fluide. L'outil, basé sur une méthode d'éléments finis mixtes, permet de simuler l'écoulement d'une suspension de particules solides à grande concentration solide (jusqu'à 60%), en tenant compte du couplage fluide/structure dans le calcul du champ de vitesse. La méthode est générale et permet de travailler avec des comportements fluides divers (newtoniens, loi puissance, etc...) et diverses formes et tailles de particules (sphères et/ou particules allongées). Les conditions limites utilisées nous permettent d'imposer un cisaillement simple, avec ou sans effets de bord, et de mesurer des paramètres rhéologiques, par homogénéisation numérique directe sur notre domaine de calcul. Nous avons validé notre approche avec des mesures de viscosité effective pour des suspensions monomodales et bimodales de sphères, des mélanges de sphères et de fibres. Une attention particulière est portée à l'évolution de cette viscosité par rapport au temps

Nonlinear Model for Viscoelastic Behavior of Achilles Tendon

International audienceAlthough the mechanical properties of ligament and tendon are well documented in research literature, very few unified mechanical formulations can describe a wide range of different loadings. The aim of this study was to propose a new model, which can describe tendon responses to various solicitations such as cycles of loading, unloading, and reloading or successive relaxations at different strain levels. In this work, experiments with cycles of loading and reloading at increasing strain level and sequences of relaxation were performed on white New Zealand rabbit Achilles tendons. We presented a local formulation of thermodynamic evolution outside equilibrium at a representative element volume scale to describe the tendon's macroscopic behavior based on the notion of relaxed stress. It was shown that the model corresponds quite well to the experimental data. This work concludes with the complexity of tendons' mechanical properties due to various microphysical mechanisms of deformation involved in loading such as the recruitment of collagen fibers, the rearrangement of the microstructure (i.e., collagens type I and III, proteoglycans, and water), and the evolution of relaxed stress linked to these mechanisms

An Attempt to Predict the Preferential Cellular Orientation in Any Complex Mechanical Environment

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A novel bioreactor for ligament tissue engineering

Bioreactors are defined as devices in which biological and/or biochemical processes develop under closely monitored and tightly controlled environmental and operating conditions (e.g. pH, temperature, mechanical conditions, nutrient supply and waste removal). In functional tissue engineering of musculoskeletal tissues, a bioreactor capable of controlling dynamic loading plays a determinant role. It has been shown that mechanical stretching promotes the expression of type I and III collagens, fibronectin, tenascin-C in cultured ligament fibroblasts (J.C.-H. Goh et al., Tissue Eng. 9 (2003), S31) and that human bone marrow mesenchymal stem cells (hBMMSC) – even in the absence of biochemical regulators – could be induced to differentiate into ligament-like fibroblast by the application of physiologically relevant cyclic strains (G. Vunjak-Novakovic et al., Ann. Rev. Biomed. Eng. 6 (2004), 131; H.A. Awad et al., Tissue Eng. 5 (1999), 267; R.G. Young et al., J. Orthop. Res. 16 (1998), 406). Different bioreactors are commercially available but they are too generic to be used for a given tissue, each tissue showing specific mechanical loading properties. In the case of ligament tissue engineering, the design of a bioreactor is still an open question. Our group proposes a bioreactor allowing cyclic traction–torsion on a scaffold seeded with stem cells

Anisotropic mechanical behavior of semi-crystalline polymers: Characterization and modeling of non-monotonic loading including damage

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