La simulation du comportement du disque intervertébral

Le rachis appelé également colonne vertébrale ou épine dorsale est constitué de vertèbres osseuses interconnectées. Les vertèbres sont séparées par des disques intervertébraux spongieux et fibreux avec un noyau gélatineux qui jouent un rôle essentiel pour le confort et le fonctionnement de l'ensemble. Ces disques sont capables d'absorber plus de neuf fois le poids du corps pendant une activité physique intense tout en permettant la flexibilité nécessaire aux mouvements quotidiens.

Des lésions aiguës ou la dégénérescence liée à l'âge du disque intervertébral peuvent entraîner une perte d'intégrité de la partie fibreuse externe du disque (annulus fibrosus). La guérison est lente parce que ce système de disques constitue la plus grande structure avasculaire (sans approvisionnement sanguin) du corps humain. Un nouveau modèle développé dans le cadre du projet DISCSIM («Multi-scale biomechanical modelling and simulation of the intervertebral disc»), financé par l'Union européenne, nous fournit de nombreuses informations sur le comportement du disque intervertébral en situation pathologique ou normale. Ce modèle annonce de meilleurs traitements pour les millions de personnes souffrant de cette pathologie.

Pour obtenir des informations détaillées sur la structure microscopique de ces disques, des échantillons de queue de bœuf ou de colonne vertébrale humaine ont été incorporés dans différents milieux et découpés en tranches fines par une fraiseuse. En parallèle, deux microscopes couplés à la fraiseuse ont permis de capturer des images à chaque niveau. Les échantillons ont également été soumis à des tests de résistance micromécanique. L'optimisation du dispositif de fixation est encore en cours mais les données concernant les propriétés élastiques de l'os de bœuf au niveau tissulaire ont pu être recueillies en parallèle pour la modélisation numérique d'une unité de disque intervertébral.

En s'appuyant sur ces données expérimentales, les chercheurs ont pu développer un modèle numérique multi-échelle du disque intervertébral en utilisant le logiciel de calcul par éléments finis ABAQUS disponible dans le commerce. C'est le premier modèle prenant en compte le coulissement inter-lamellaire, le cisaillement et la séparation du disque. Le phénomène de cisaillement a justement été impliqué comme déclencheur potentiel de défaillance de l'annulus fibrosus (anneau fibreux). La rupture de ce dernier peut déboucher sur le développement d'une hernie de la couche gélatineuse interne ou plus simplement d'une hernie discale. Le modèle a été validé avec les données obtenues par compression des disques intervertébraux de queue de bœuf.

L'analyse de l'espace des paramètres du modèle DISCSIM débouche ainsi sur une meilleure compréhension de la biomécanique des disques intervertébraux, ce qui permettra d'alléger la charge socio-économique générée par les pathologies liées à ces disques. Le modèle sera également fort utile pour les chercheurs, les médecins et enfin les patients souffrant de scolioses, de mal de dos ou de dégénérescence des disques intervertébraux.