Tg and Zener’s model as tools to improve preventative strategy for traumatic injuries

Abstract

Le mode de vie de l’homme moderne engendre un nombre considérable de blessures traumatiques en tous genres. Les coûts causés par ces blessures ne font qu’augmenter et constituent un fardeau de plus en plus lourd pour la société. Parmi ces blessures, les lésions des tissus biologiques mous entraînent des conséquences importantes pour les individus impliqués. La variabilité du comportement mécanique de ces tissus, mais aussi leur organisation hiérarchique, complexifient la prévention. Cette étude pose un regard nouveau sur cette problématique en établissant un pont entre la biologie et la science des matériaux. On émet d’abord l’hypothèse que la température de transition vitreuse (Tg), un concept connu dans le domaine des polymères, serait en mesure d’expliquer les limites mécaniques des tissus biologiques. Des essais de traction sur des tendons de queue de rat (RTT) confirment cette hypothèse, révélant une corrélation entre la Tg, testée thermiquement, et leur contrainte à la rupture. L’existence de cette relation pourrait réduire considérablement le nombre de spécimens nécessaires pour réaliser divers types d’études biomécaniques sur les tissus biologiques mous et leurs comportements. Dans un contexte où la déformation de la structure anatomique s’effectue rapidement, une situation typiquement reliée aux blessures traumatiques, la Tg apporte un nouvel éclairage. Selon le principe de superposition temps-température, les tissus biologiques mous, tels les tendons, devraient se déformer de manière vitreuse à une vitesse plus élevée. En testant les RTT à des vitesses d’étirement typiques d’accidents de la route, on constate que les tendons sont plus résistants à haute vitesse. Étonnamment, la déformation avant rupture est équivalente aux tests réalisés précédemment à une vitesse d’étirement plus lente. La littérature actuelle étant incapable d’expliquer ce phénomène, on s’appuie sur le modèle de Zener pour conceptualiser le RTT. On y relève deux modes de déformation qui influencent la réponse mécanique du tendon, ce qui permet de cibler des conditions de vitesse d’étirement et de Tg accentuant les risques de blessure. L’un de ces modes de déformation, intensifié par la vitesse d’étirement, entraîne la fragilisation. Une méthode d’identification de système est proposée pour caractériser les paramètres du modèle Zener pour des tissus mous, offrant ainsi une base de comparaison entre données provenant de différentes recherches. Cette méthode permettra en plus une normalisation des résultats. Cette méthode d’identification devrait aider à accélérer la recherche sur les tissus mous pour des études comparatives.Abstract : Today's lifestyle leads to a considerable number of traumatic injuries of all kinds. The costs related to these injuries are continually increasing and constitute a growing burden on society. Among these injuries, soft tissue injuries have significant consequences for the individuals involved. The variability of the mechanical behavior of the tissues, along with their hierarchical organization, complicate prevention. This study takes a new approach at this problem by bridging biology and materials science. It is first hypothesized that the glass transition temperature (Tg), a known concept in the field of polymers, could explain the mechanical limits of biological tissues. Traction tests on rat tail tendons (RTTs) confirm this hypothesis, revealing a correlation between the Tg, thermally tested, and the stress at rupture. The existence of this relationship could greatly reduce the number of specimens needed to perform various types of biomechanical studies on soft biological tissues and their behaviors. In a context where the deformation of the anatomical structure occurs rapidly, a situation typically related to traumatic injuries, the Tg brings new insights. According to the time-temperature superposition principle, soft biological tissues, such as tendons, should deform in a glassy manner at a higher strain rate. When testing RTTs at typical road accident strain rates, tendons are found to be mechanically more resistant at higher speeds. Surprisingly, the strain before rupture is equivalent to tests previously performed at lower strain rates. Since the current literature is unable to explain this phenomenon, we rely on Zener’s model to conceptualize the RTT. Two strain mechanisms influencing the mechanical response of the tendon are identified, which makes it possible to target conditions of strain rate and Tg that increase the risk of injury. One of these strain mechanisms, intensified by the strain rate, leads to brittleness. A system identification method to characterize the Zener model parameters for biological soft tissues is proposed, providing a basis for comparison between data from different researches. This method will also allow for the normalization of results. This identification method should help accelerate research conducted on biological soft tissues for comparative purposes