Les méthodes d’investigation du vivant sondent des objets d’étude hétérogènes, structurellement complexes et variables dans leurs comportements. La caractérisation se fait in vitro et in vivo et tente de prendre en compte les variabilités et les incertitudes de la réponse. Outre des essais mécaniques classiques (traction-compression, ondes, ultrasons,…), des mesures de champ, de nouvelles techniques ont vu le jour (nanomécanique, la microfluidique, l’acoustique PIV et picoseconde, …). Les méthodes d’imagerie telles que optique, RMN, IRM, MEB, ultrasons, microscopie confocale, microscopie X, tomographie, élastographie, spectroscopie Raman sont maintenant largement utilisées.
Ces outils permettent d’aborder un nombre important de thèmes, tels que :
- L’étude des sollicitations mécaniques sur un sujet vivant (efforts musculaires, articulaires)
Ils conduisent à la notion de design mécanique, afin, par exemple, de comprendre les problématiques articulaires ou posturales (vieillesse, arthrose), rechercher des solutions optimales pour des matériaux aux fonctions biologiques et mécaniques multiples comme des biosubstituts. Cela présuppose d’une part la modélisation cinématique et dynamique du système ostéoarticulaire et musculosquelettique, mais aussi l’étude des contraintes biologiques propres au mouvement humain, la quantification des tensions musculaires, des forces articulaires et ligamentaires, et enfin la coordination des segments pour le maintien de l’équilibre. L’impact médical concerne l’apparition d’arthrose spécifique ou d’ostéoporose issues d’un déséquilibre mécanique, la rééducation post-traumatique, l’optimisation de gestes sportifs, la robotique anthropomorphe et le développement d’autres systèmes pour la réalité virtuelle.
- La compréhension et la modélisation des interactions du corps humain avec l’environnement
Ils permettent de développer des outils applicables à différents domaines, tels que la Biomécanique des chocs (modélisation et prototype physique du corps humain pour l’évaluation et la protection des usagers des transports) ou l’ergonomie, la modélisation biomécanique pour l’orthopédie, ou encore la réadaptation fonctionnelle. Cela requiert la constitution de bases de données anatomiques incluant une définition fine de la géométrie des organes, le développement de lois de comportement jusqu’à rupture des tissus, la recherche de relations micro/macro du comportement. Les objectifs sont l’identification de critères mécaniques d’apparition de dommages et la constitution d’une base de données expérimentale caractérisant la réponse aux chocs.
- L’analyse de l’évolution des tissus au cours du temps
Permet de mettre en œuvre des lois de comportement spécifiques, pour les tissus mous tels que ligaments, tendons, les tissus durs (os) et les tissus au comportement intermédiaire tels que le cartilage en fonction des paramètres mécaniques, biologiques ou chimiques pour le remodelage, la cicatrisation et le vieillissement. Plus généralement est visée la simulation multiéchelles et multiphysique du comportement mécanique des tissus du vivant.
- La mécanique cellulaire (interaction entre membranes et fluides biologiques) et l’analyse de la structuration des tissus à partir de l’échelle cellulaire
Elle conduit à mener une recherche intégrative, de la cellule à l’organe, afin, notamment, d’appréhender les facteurs mécaniques favorisant la différenciation cellulaire du processus de régénération in vivo. En particulier, la compréhension des interactions cellules / (bio)matériaux en fonction des états de surface (activations cellulaires induites par différents états de surface ; biomatériau recouvert d’un facteur de croissance pour la régénération osseuse) a un impact médical qui est d’augmenter le taux de réussite de l’implantation des prothèses.
- L’étude des processus couplés
Ils concernent l’adaptation, le remodelage et la régénération osseuse (notamment lors de la présence d’implants) ainsi que l’étude des propriétés mécaniques de l’os et du cartilage pour comprendre les mécanismes de fracture selon des approches multiéchelles à partir du niveau des travées osseuses. L’étude du cartilage, qui est un milieu poreux très déformable, relève d’une approche fortement pluridisciplinaire, impliquant des couplages entre les aspects biologique, physico-chimique et mécanique pour les phases de résorption, apposition et minéralisation osseuse, et électromécanique visant à prendre en compte le gonflement dû à des charges négatives fixes. L’impact médical des recherches est ici la mise en place d’outils de diagnostic ou d’analyse prédictive des mécanismes de transformation du système osseux à l’échelle microscopique (mécanotransduction), suite à des sollicitations subies à l’échelle macroscopique (risques de fractures), ou encore la reconstruction de grands défauts osseux par l’emploi de biomatériaux poreux, un choix adéquat des techniques de reconstruction et de réparation.
Diagramme schématique du principe de l’ingénierie tissulaire