Développer la modélisation musculosquelettique

Les modèles osseux multi-échelles de tissus spécifiques n'ont jamais été développés jusqu'à présent car ils nécessitent des données sur les souches sauvages de tissus dans les os complets. Cela n'a jamais été possible par les mesures expérimentales et les simulations numériques ont une portée limitée.

Les modèles d'os complets spécifiques aux tissus n'auraient aucune valeur pour les chercheurs dans les études visant à comprendre la relation entre la microstructure osseuse et leur fonctionnement. Les scientifiques du projet TISSSPECBONEFEM (Incorporation of multiscale tissue-specific properties into musculoskeletal finite element modelling) ont travaillé à développer des modèles osseux précis en utilisant l'analyse des éléments finis (EF) sur des fémurs de moutons.

Les chercheurs ont caractérisé par voie expérimentale la géométrie osseuse, la densité minérale osseuse, les types de tissus et les propriétés élastiques du fémur de moutons. En utilisant une base de données compilée, ils ont développé des modèles musculo-squelettiques d'EF du fémur d'ovins qui représentaient les propriétés osseuses élastiques anisotropiques spécifiques de tissu ainsi que les conditions de charge physiologiquement pertinentes.

TISSSPECBONEFEM a compilé des propriétés sur plusieurs échelles et multimodales et les a analysées en association à des souches physiologiques pour déterminer les relations entre la structure et la fonction. Ils ont découvert que la remodélisation ostéonale des os comme le fémur est plutôt déclenchée à partir des forces de déchirure musculaire locale au lieu de la compression osseuse et de la flexion.

Les ostéocytes sont des cellules osseuses impliquées dans la mécano-détection et gèrent la remodélisation osseuse. Par les EF et la nanotomographie en phase de rayons X de synchrotrons, les chercheurs ont analysé la géométrie des réseaux poreux à l'échelle submicronique et ont étudié la déformation in situ des ostéocytes.

En utilisant les mesures de transmissions axiales bidirectionnelles à ultrasons, les chercheurs ont évalué les propriétés centimétriques des os corticaux dans des conditions in vivo. Cet outil sera utile pour évaluer les propriétés matérielles d'os.

Les chercheurs ont réussi à quantifier la minéralisation osseuse, la rigidité et la morphologie des réseaux de pores. La corrélation entre l'emplacement anatomique, le type de tissu et l'âge de l'animal a offert des informations approfondies sur la relation structure/fonction ainsi que sur le processus de remodélisation.

Les membres du projet ont également développé un cadre numérique pour l'application dans un modèle d'ostéotomie ovine établi pour étudier la restauration des fractures à différents niveaux des souches.

Les outils de TISSSPECBONEFEM, la base de données et les résultats de l'étude seront utiles pour concevoir et surveiller les implants de fixation osseuse afin de promouvoir la guérison osseuse. Pour la population âgée européenne, l'application clinique de ces résultats pourrait améliorer la mobilité des patients tout en réduisant les coûts de soins de santé associés aux fractures et aux remplacements d'articulations.