Biomechanical characterisation of the bone-implant interface

Caractérisation biomécanique de l'interface os-implant. Les interventions chirurgicales impliquant des implants orthopédiques ou dentaires échouent encore souvent pour des raisons liées à un manque de stabilité. Pendant la phase de cicatrisation suivant la chirurgie, du tissu osseux se forme et se remodèle directement à la surface de l'implant grâce au processus d'ostéointégration créant l'interface os-implant. La quantité et les propriétés biomécaniques de l'os néoformé entourant l'implant déterminent sa stabilité à long terme et donc le succès de la chirurgie. Afin d'appréhender la complexité de l'interface organisée hiérarchiquement de l'échelle nano- à macroscopique avec des propriétés évolutives témoignant de son caractère vivant, ce travail de thèse a mis en place une approche expérimentale multi-échelle, multi-modale et multi-physique. Un modèle d'implant in vivo avec une chambre osseuse distinguant clairement l'os néoformé de l'os cortical mature préexistant a été utilisé pour se placer dans des conditions standardisées et contrôlées.Dans une première étude portant sur la quantité d'os à l'interface, le contact os-implant augmente avec le temps de cicatrisation et la rugosité de surface de l'implant, comme en témoignent les mesures par histologie et ultrasons quantitatifs à l'échelle micro- et macroscopique. Cette évolution a aussi été validée avec un modèle numérique aux éléments finis simulant la surface microscopique de l'implant par un profil sinusoïdal.L'augmentation observée de la quantité d'os à l'interface os-implant pendant la cicatrisation s'accompagne de différences de composition et structure osseuses. Dans une seconde étude, des mesures par spectroscopie Raman ont mis en évidence des cristaux d'apatite de la phase minérale plus petits et des composants moins minéralisés dans l'os néoformé comparé à l'os mature, avec moins de liaisons entre les molécules de collagène de la phase organique et un taux de remodelage plus élevé. Grâce à une analyse conjointe avec des mesures de nanoindentation, ces différences de composition et structure nanoscopiques de l'os périprothétique ont été reliées à de faibles modules élastiques microscopiques.Puisque les propriétés élastiques augmentent avec la minéralisation et l'âge du tissu, afin d'étudier plus précisément la cinématique de la croissance osseuse à l'interface os-implant, une troisième étude s'est penchée sur l'évolution spatio-temporelle des propriétés élastiques microscopiques au sein de la chambre osseuse en combinant nanoindentation et diffusion micro-Brillouin. Les résultats suggèrent que l'os commence à se former dans les régions de la chambre osseuse où les contraintes mécaniques sont susceptibles d'être les plus élevées, avant de se développer le long de la surface de l'implant et en direction de l'os mature. Ce profil de propagation osseuse, en accord avec les mesures histologiques du contenu de la chambre osseuse, est cohérent avec le phénomène d'ostéogenèse de contact.Ces analyses multi-physiques combinées sur les mêmes échantillons démontrent que toutes les propriétés caractérisant la quantité et la qualité osseuse sont interdépendantes à travers les différentes échelles de l'os. De tels travaux de recherche, étudiant l'évolution simultanée des propriétés de l'os périprothétique, sont essentiels pour mieux comprendre le phénomène d'ostéointégration et la stabilité implantaire. Ces études pourraient aider à l'amélioration du succès chirurgical à long terme suite à la pose d'implants.