Une modélisation du tissu cardiaque comme milieu à microdilatation : une étude numérique

Ces dernières années ont connu un regain d’intérêt pour la mécanique des milieux continus étendus dans le but de rendre plus fidèlement compte de phénomènes physiques se produisant à l’échelle microscopique, ou pour tenir compte de manière « explicite » de la microstructure du matériau. La théorie des milieux micromorphes de Eringen rentre dans ce cadre et permettrai d’analyser efficacement divers types de matériaux : des mousses, des milieux poreux, des tissus biologiques, etc. Dans sa généralité, le point matériel est doté de 12 degrés de liberté. Cependant, compte tenu de l’application envisagée et du mécanisme microscopique prédominant le modèle peut être simplifié avec comme conséquence une réduction du nombre de degré de liberté. Dans ce travail, nous utilisons la plus simple des particularisations de la théorie micromorphe pour modéliser le tissu cardiaque. Un tissu cardiaque sain est considéré comme un milieu à microdilatation. A l’issu d’un infarctus, les points matériels de la zone nécrosée perdent cette capacité. A l’aide d’un outil numérique spécifiquement dédié, nous analysons l’aptitude d’un tel modèle à décrire ce problème clinique. Les résultats obtenus sont conformes aux cas pratiques présentés dans la littérature

Modélisation du comportement des verres métalliques par une approche phénoménologique

L'étude porte sur le développement d'une loi permettant de décrire le comportement macroscopique de verres métalliques dans le mode de déformation homogène. Le choix s'est porté sur un verre métallique à base zirconium de composition Zr52,5Cu22Al10Ni13Ti2,5. Des premiers tests de compression ont été réalisés pour mettre en évidence les effets significatifs à prendre en compte dans le modèle. Une stratégie de couplage essais/simulations a été mise en place pour identifier les différents paramètres du modèle

Decellularized vascularized bone grafts: A preliminary in vitro porcine model for bioengineered transplantable bone shafts

Introduction: Durable reconstruction of critical size bone defects is still a surgical challenge despite the availability of numerous autologous and substitute bone options. In this paper, we have investigated the possibility of creating a living bone allograft, using the perfusion/decellularization/recellularization (PDR) technique, which was applied to an original model of vascularized porcine bone graft.Materials and Methods: 11 porcine bone forelimbs, including radius and ulna, were harvested along with their vasculature including the interosseous artery and then decellularized using a sequential detergent perfusion protocol. Cellular clearance, vasculature, extracellular matrix (ECM), and preservation of biomechanical properties were evaluated. The cytocompatibility and in vitro osteoinductive potential of acellular extracellular matrix were studied by static seeding of NIH-3T3 cells and porcine adipose mesenchymal stem cells (pAMSC), respectively.Results: The vascularized bone grafts were successfully decellularized, with an excellent preservation of the 3D morphology and ECM microarchitecture. Measurements of DNA and ECM components revealed complete cellular clearance and preservation of ECM’s major proteins. Bone mineral density (BMD) acquisitions revealed a slight, yet non-significant, decrease after decellularization, while biomechanical testing was unmodified. Cone beam computed tomography (CBCT) acquisitions after vascular injection of barium sulphate confirmed the preservation of the vascular network throughout the whole graft. The non-toxicity of the scaffold was proven by the very low amount of residual sodium dodecyl sulfate (SDS) in the ECM and confirmed by the high live/dead ratio of fibroblasts seeded on periosteum and bone ECM-grafts after 3, 7, and 16 days of culture. Moreover, cell proliferation tests showed a significant multiplication of seeded cell populations at the same endpoints. Lastly, the differentiation study using pAMSC confirmed the ECM graft’s potential to promote osteogenic differentiation. An osteoid-like deposition occurred when pAMSC were cultured on bone ECM in both proliferative and osteogenic differentiation media.Conclusion: Fully decellularized bone grafts can be obtained by perfusion decellularization, thereby preserving ECM architecture and their vascular network, while promoting cell growth and differentiation. These vascularized decellularized bone shaft allografts thus present a true potential for future in vivo reimplantation. Therefore, they may offer new perspectives for repairing large bone defects and for bone tissue engineering

Sur la modélisation du tissu cardiaque comme un milieu à microdilatation : une investigation numérique

Background: A soft biological tissue is subjected to numerous exchange phenomena and has an extremely complex structural organization. The knowledge of its mechanical behavior is required in many applications ranging from clinical diagnostic to tissue engineering. To achieve this goal, more or less satisfactory approaches are developed. They all seek to take into account in a more or less systematic manner the microstructure of the medium. Assuming that the biological tissue is a particular micromorphic medium (micropolar medium) leads to good results in the case bone tissue. It is therefore likely that the results of this kind will be obtained for other tissues. Our interest is on the heart tissue and the problem of ischemic heart attack. In this context, it seemed that the most appropriate behavior particularization is that of a microdilatation medium. Work done: The work presented in this thesis is essentially numerical. It aims to highlight the features of the response of microdilatation medium to an external mechanical load. This step is essential for the analysis of the experimental results to be conducted in the future. The work also aims to investigate the potentialities of the model with respect to the heart tissue regarding heart attack and the associated loss of the ability to eject sufficient blood volume. The numerical tools for the analysis of such media are in increasing development. We had to develop our own tool based on the LPI-BEM (Local Point Interpolation - Boundary Element Method). Because of the similarity of the associated field equations, the validity of the numerical strategy is assessed in the case of a piezoelectric material. This choice is not innocent because the piezoelectric medium with microdilatation will allow analyzing the case of an electrical solicitation of the tissue. The details of this original numerical approach are given in Chapter 2 of the thesis. Chapter 3 is devoted to the analysis of the robustness of the method and to the peculiarities of the response of a microdilatation medium. The fourth chapter is devoted to the application to the cardiac tissue. By limiting the study to the case of small strains, it is shown that the model is well suited to the representation of the behavior of cardiac tissue. Indeed, considering the left ventricle as a tubular structure, the left ventricle ejection fraction (clinical criterion of the heart failure) is greatly reduced in the presence of an infarcted area. The latter is modeled as a zone with diffuse boundary where the material points have lost their ability to "breath". These results are promising and encourage further investigations in this direction by taking into account the anisotropic nature of the tissue in a geometrically nonlinear contextContexte : Le tissu biologique mou présente une organisation structurelle extrêmement complexe et est le siège de nombreux phénomènes d'échanges. De nombreuses applications s'étendant du diagnostic clinique à l'ingénierie tissulaire nécessitent la connaissance du comportement mécanique du tissu. A cette fin, de nombreuses approches plus ou moins satisfaisantes sont développées. Elles s'efforcent toutes de tenir compte de manière plus ou moins systématique de la microstructure du milieu. La considération du tissu biologique comme un milieu micromorphe donne des résultats probants dans sa particularisation au milieu micropolaire appliquée au tissu osseux. Il est donc fort probable que des résultats du genre soient obtenus pour d'autres tissus. Notre travail était orienté vers le tissu cardiaque et la problématique de l'infarctus ischémique. Dans ce contexte, il nous a semblé que la particularisation de comportement la mieux adaptée est celle d'un milieu à microdilatation. Travail réalisé : Le travail réalisé dans le cadre de cette thèse est essentiellement numérique. Il a pour objectif de mettre en lumière les particularités de la réponse à une sollicitation extérieure d'un échantillon de milieu à microdilatation. Cette étape est essentielle pour l'analyse future des résultats d'expériences qui seront menées. Il a également pour objectif d'étudier les potentialités du modèle vis-à-vis du tissu cardiaque en considérant l'infarctus ischémique et la perte associée de la capacité d'éjection de volume sanguin. Les outils numériques d'analyse de tels milieux sont en plein développement. Il nous a fallu développer notre propre outil basé sur la LPI-BEM (Local Point Interpolation - Boundary Element Method). Du fait de la similitude des équations de champs associées, la validité de la stratégie numérique mise en oeuvre est testée sur le cas d'un matériau piézoélectrique. Ce choix n'est pas innocent car, dans l'avenir la considération du milieu piézoélectrique à microdilatation permettra d'analyser le cas d'une sollicitation électrique du tissu. Les détails de cette stratégie numérique originale sont consignés dans le chapitre 2 du mémoire. Le chapitre 3 est consacré à l'analyse de la robustesse de la méthode et aux particularités de la réponse d'un milieu à microdilatation. Le quatrième chapitre est consacré à l'application au tissu cardiaque. En se limitant au cas de petites déformations, on montre que le modèle est bien adapté à la représentation du comportement du tissu cardiaque. En effet, assimilant le ventricule gauche à une structure tubulaire, la fraction d'éjection du ventricule gauche (critère clinique d'insuffisance cardiaque) est fortement diminuée en présence d'une zone infarcie. Cette dernière est modélisée comme une région à frontière diffuse où les points matériels ont perdu leur capacité de « respirer ». Ces résultats sont prometteurs. Ils encouragent à poursuivre dans cette voie en prenant en compte le caractère anisotrope du tissu et en se plaçant dans le cadre des grandes déformation

On the modelling of cardiac tissue as a microdilatation medium : a numerical investigation

Contexte : Le tissu biologique mou présente une organisation structurelle extrêmement complexe et est le siège de nombreux phénomènes d'échanges. De nombreuses applications s'étendant du diagnostic clinique à l'ingénierie tissulaire nécessitent la connaissance du comportement mécanique du tissu. A cette fin, de nombreuses approches plus ou moins satisfaisantes sont développées. Elles s'efforcent toutes de tenir compte de manière plus ou moins systématique de la microstructure du milieu. La considération du tissu biologique comme un milieu micromorphe donne des résultats probants dans sa particularisation au milieu micropolaire appliquée au tissu osseux. Il est donc fort probable que des résultats du genre soient obtenus pour d'autres tissus. Notre travail était orienté vers le tissu cardiaque et la problématique de l'infarctus ischémique. Dans ce contexte, il nous a semblé que la particularisation de comportement la mieux adaptée est celle d'un milieu à microdilatation. Travail réalisé : Le travail réalisé dans le cadre de cette thèse est essentiellement numérique. Il a pour objectif de mettre en lumière les particularités de la réponse à une sollicitation extérieure d'un échantillon de milieu à microdilatation. Cette étape est essentielle pour l'analyse future des résultats d'expériences qui seront menées. Il a également pour objectif d'étudier les potentialités du modèle vis-à-vis du tissu cardiaque en considérant l'infarctus ischémique et la perte associée de la capacité d'éjection de volume sanguin. Les outils numériques d'analyse de tels milieux sont en plein développement. Il nous a fallu développer notre propre outil basé sur la LPI-BEM (Local Point Interpolation - Boundary Element Method). Du fait de la similitude des équations de champs associées, la validité de la stratégie numérique mise en oeuvre est testée sur le cas d'un matériau piézoélectrique. Ce choix n'est pas innocent car, dans l'avenir la considération du milieu piézoélectrique à microdilatation permettra d'analyser le cas d'une sollicitation électrique du tissu. Les détails de cette stratégie numérique originale sont consignés dans le chapitre 2 du mémoire. Le chapitre 3 est consacré à l'analyse de la robustesse de la méthode et aux particularités de la réponse d'un milieu à microdilatation. Le quatrième chapitre est consacré à l'application au tissu cardiaque. En se limitant au cas de petites déformations, on montre que le modèle est bien adapté à la représentation du comportement du tissu cardiaque. En effet, assimilant le ventricule gauche à une structure tubulaire, la fraction d'éjection du ventricule gauche (critère clinique d'insuffisance cardiaque) est fortement diminuée en présence d'une zone infarcie. Cette dernière est modélisée comme une région à frontière diffuse où les points matériels ont perdu leur capacité de « respirer ». Ces résultats sont prometteurs. Ils encouragent à poursuivre dans cette voie en prenant en compte le caractère anisotrope du tissu et en se plaçant dans le cadre des grandes déformationsBackground: A soft biological tissue is subjected to numerous exchange phenomena and has an extremely complex structural organization. The knowledge of its mechanical behavior is required in many applications ranging from clinical diagnostic to tissue engineering. To achieve this goal, more or less satisfactory approaches are developed. They all seek to take into account in a more or less systematic manner the microstructure of the medium. Assuming that the biological tissue is a particular micromorphic medium (micropolar medium) leads to good results in the case bone tissue. It is therefore likely that the results of this kind will be obtained for other tissues. Our interest is on the heart tissue and the problem of ischemic heart attack. In this context, it seemed that the most appropriate behavior particularization is that of a microdilatation medium. Work done: The work presented in this thesis is essentially numerical. It aims to highlight the features of the response of microdilatation medium to an external mechanical load. This step is essential for the analysis of the experimental results to be conducted in the future. The work also aims to investigate the potentialities of the model with respect to the heart tissue regarding heart attack and the associated loss of the ability to eject sufficient blood volume. The numerical tools for the analysis of such media are in increasing development. We had to develop our own tool based on the LPI-BEM (Local Point Interpolation - Boundary Element Method). Because of the similarity of the associated field equations, the validity of the numerical strategy is assessed in the case of a piezoelectric material. This choice is not innocent because the piezoelectric medium with microdilatation will allow analyzing the case of an electrical solicitation of the tissue. The details of this original numerical approach are given in Chapter 2 of the thesis. Chapter 3 is devoted to the analysis of the robustness of the method and to the peculiarities of the response of a microdilatation medium. The fourth chapter is devoted to the application to the cardiac tissue. By limiting the study to the case of small strains, it is shown that the model is well suited to the representation of the behavior of cardiac tissue. Indeed, considering the left ventricle as a tubular structure, the left ventricle ejection fraction (clinical criterion of the heart failure) is greatly reduced in the presence of an infarcted area. The latter is modeled as a zone with diffuse boundary where the material points have lost their ability to "breath". These results are promising and encourage further investigations in this direction by taking into account the anisotropic nature of the tissue in a geometrically nonlinear contex

The sample size effect in metallic glass deformation

International audienceThe sample size effect on deformation mode of glasses is one of the most misunderstood properties of this class of material. This effect is intriguing, since materials deemed macroscopically brittle become plastic at small size. We propose an explanation of this phenomenon for metallic glasses. A thermodynamic description of the local rearrangement zones activated under an applied stress is proposed. Using the Poisson distribution to describe the statistics of these zones and the statistical physics to associate entropy, we define a critical sample size for the change in the deformation mode. Predictions are in agreement with experimental observations and reveal hidden structural parameters describing the glassy state