Comportement viscoélastique endommageable du cartilage articulaire humain normal et arthrosique : modélisation et caractérisation à l´aide d´essais d´indentation instrumentée. Vers une quantification des effets de l'arthrose et de la viscosité du cartilage

Abstract

Le comportement viscoélastique du cartilage articulaire se modifie avec le degré d'arthrose. L'objectif de cette étude est de quantifier cette modification et de proposer un modèle viscoélastique du cartilage articulaire prenant en compte le degré d'arthrose et pouvant être aisément utilisé dans des simulations numériques de prévision du comportement l’articulation coxo-fémorale. Pour quantifier les effets de l'arthrose sur le comportement viscoélastique du cartilage articulaire humain, des échantillons ont été prélevé suite à des arthroplasties de la hanche : fractures de col du fémur pour le cartilage normal et opérations de pose de prothèse de hanche pour le cartilage arthrosique avancé. Les mesures d’indentation sur les échantillons ont été obtenues à l’aide d’essais d’indentation instrumentée effectués dans les 24 heures suivant le prélèvement. En utilisant une méthode inverse couplant les mesures expérimentales à une modélisation numérique par éléments finis des essais, les propriétés viscoélastiques des deux états (normal et arthrosique avancé) ont été quantifiées. Les valeurs moyennes des paramètres viscoélastiques sont significativement plus faibles pour le cartilage arthrosique que la normale (modules instantané, relaxé et coefficient de viscosité). Sur la base des résultats d’identification et dans le cadre de la thermodynamique des processus irréversibles, un modèle viscoélastique de comportement prenant en compte le degré d'arthrose comme une variable interne d'endommagement est proposé. Le modèle phénoménologique proposé fournit une bonne prévision de la réponse viscoélastique du cartilage humain pour les deux états (normal et arthrosique avancée). A titre d’exemple d’application, ce comportement est introduit dans une modélisation de l’articulation de la hanche et les effets de l’arthrose et de la viscosité sur les pressions et les aires de contact sont quantifiés pour une simulation d’un mouvement de la vie quotidienne