CM 3 - Mécanique du Tissu Osseux PDF

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UE 10.1 Sciences Biomédicales : Biomécanique du Tissu Osseux Bertin Janssen 22/10/2024 UE.10.1: Science Biomédicale : Biomécanique du tissu osseux I - Introduction : Rôle de la structure osseuse : A) Fonctions mécaniques : 1 - Soutien : sert de structure rigide pour notre corps et d’ancrage pour les organes mous. 2. Protection : notamment des organes vitaux : - Système nerveux central → crâne et vertèbres : Les structures osseuses sont établies de manières à protéger les tissus sous-jacents - Système cardio-pulmonaire → cage thoracique Ce sont davantage les os plats qui assurent cette fonction car ils forment une sorte de cavité tel que le crâne qui protège notre cerveau, l’os coxal qui protège notre viscère ou encore les côtes. 3. Mouvement : “Bras de levier” aux muscles pour déplacer le corps. Cette fonction est quant à elle davantage assurée par les os longs. B) Fonctions physiologiques : 1. Stockage des minéraux : Régulation du calcium et phosphate dans le corps en fonction des besoins → Homéostasie phosphocalcique. 2. Hématopoïèse : Formation globules rouges et blancs dans la moelle osseuse. On leur attribue cette fonction car les os renferment la moelle osseuse rouge dans lequel se déroule cette hématopoïèse. Elle est notamment présente dans le corps des os plats ou encore dans les épiphyses des os longs. II - Morphologie du Tissu Osseux : A) Ostéogenèse : 1  UE 10.1 Sciences Biomédicales : Biomécanique du Tissu Osseux Bertin Janssen 22/10/2024 A l’aide des radios, nous voyons que les enfants possèdent beaucoup plus de cartilage de croissance que les adultes car ces derniers ne sont pas radio-opaque (on les voit moins à la radio que les os des adultes). Cela s’explique par la calcification qui n’est pas encore complète, c'est-à-dire qu’il n’y a pas encore suffisamment de calcium dans l’os. On peut en conclure que plus il y aura de calcium dans l’os et plus il sera opaque. Quand l’os passe de sa structure cartilagineuse jusqu'à se former complètement à l'âge adulte → on parle de classification endochondrale B) Structure 1) Os compact ou cortical : On le retrouve sur la partie extérieure de l’os en lui offrant une certaine rigidité grâce à sa densité qui représente 85% de la masse osseuse totale. L’os compact est disposé de manière parallèle au grand axe de l’os. En étant parallèle on le dit anisotrope c’est-à-dire qu’il n’a pas les mêmes propriétés mécaniques selon la direction des contraintes. Alors il serait très résistant selon un grand axe mais ce serait compliqué dans les autres axes, d’où la nécessité de l’os trabéculaire en profondeur. De plus si on avait que de l’os compact on serait trop lourd et ce ne serait pas adapté à notre physiologie 2  UE 10.1 Sciences Biomédicales : Biomécanique du Tissu Osseux Bertin Janssen 22/10/2024 Au sein de l’os compact on retrouve des ostéons (=système de Havers) C’est une unité fonctionnelle de 12 à 15 cylindres creux (= lamelles) concentriques allongés et parallèles au grand axe de l’os (dans le cas de l’os long). Le canal de Havers se situe au centre de l’ostéon → paquet vasculo nerveux Les canaux de Volkmann se situent perpendiculairement au canal de Havers. Il permet la distribution vasculo nerveux au sein de l’os 2) L’os trabéculaire ou spongieux : Il se situe plus intérieurement que l’os compact et laisse donc passage aux vaisseaux et à la moelle osseuse. C’est dans cette moelle osseuse que se forme l’hématopoïèse. Contrairement à l’os cortical, l’os spongieux se construit en fonction des contraintes rencontrés par exemple les trabécules au niveau de la tête fémoral sont serrées et s’entrecroisent énormément dû aux contraintes subies au niveau de l’articulation coxo-fémorale. On retrouve également des trabécules serrées au niveau du grand trochanter dû aux nombreuses tractions musculaires. AUTREMENT DIT Il répond en fonction des contraintes que l’on impose sur notre corps humain Exemple : La zone la plus renforcée se trouve au niveau de la tête fémoral (c’est là que l’on à le + de cartilage aussi) → + ça s'entrecroise + on a de la résistance osseux Exemple : si on est immobilisé pendant longtemps on n’imposera pas de contrainte sur l’os et cela posera problème quand on ré imposera des contraintes dessus car il ne sera plus assez fort pour y résister. La partie interne de l’os (os spongieux) comprend des cellules pouvant devenir des ostéoblastes, ces derniers assurent la croissance en largeur des os. 3) Périoste : Le périoste est un tissu fibreux qui se retrouve à la partie périphérique de l’os et va participer à la reconstruction ainsi qu’à la croissance de l’os compact. Ce dernier possède une grosse part de vascularisation et d’innervation. En effet l’os est innervé et vascularisé !!! Contrairement au cartilage qui est avasculaire et pas innervé 3  UE 10.1 Sciences Biomédicales : Biomécanique du Tissu Osseux Bertin Janssen 22/10/2024 D’ailleurs les cancers qui font le plus mal ce sont les cancers osseux car c’est extrêmement vascularisé et innervé. Le périoste est riche en collagène participant alors à l’ostéogénèse et à croissance de l’os en épaisseur. Donc quand on nous met des plaques ou des vis dans l'os, on passe sur le périoste ce qui l'abîme car cela gêne l’ostéosynthèse. C) Vascularisation : On retrouve 2 systèmes vasculaires : 1) Système central C’est où passe les artères nourricières. RQ: chez l’enfant il y a des cartilage de croissance entre épiphyse et diaphyse→ pas d’anastomose possible Si il n’y a pas d’anastomose, suite à une fracture au centre, on peut nécroser une partie de l’os (mort de cette partie). Exemple : si notre artère fémorale est endommagée on aura une nécrose de la tête du fémur, ce qui va poser problème car ne se verra que tardivement sur une radio. 2) Système périphérique périosté C’est vascularisé grâce à l’insertion des muscles dessus (vascularisation de l’os cortical +++) Remarque: Il vaut mieux détruire le système central que le système périphérique Par exemple : si notre artère fémorale est endommagée on aura une nécrose de la tête du fémur, ce qui va poser problème car ne se verra que tardivement sur une radio. Quoi qu’il arrive dans les os ont a du périoste autour, de l’os compact et de l’os spongieux 4  UE 10.1 Sciences Biomédicales : Biomécanique du Tissu Osseux Bertin Janssen 22/10/2024 D) Classification osseuse : Les os sont classés en fonction de leur forme et non de leur taille. On retrouve 4 types majeurs : 1) Os long Il y a un bras de levier important → Fémur, humérus, tibia… Il est de forme allongée et est composé de 3 parties : - Les épiphyses aux extrémités composé d’os spongieux majoritairement et de surfaces articulaires - La diaphyse qui est la partie centrale de l’os - Métaphyse = zone de jonction entre épiphyse et diaphyse (lieu cartilage de conjugaison lors de la croissance) 2) Os court (→ carpe, tarse ) Ils ont souvent des formes cubiques, il y a beaucoup d’os spongieux mais moins que dans les os longs 3) Os plat Permet de créer une cavité autour des organes vitaux permettant leur protection Exemple: Scapula, Sternum, boîte crânienne, côtes… 4) Os sésamoïdes Ils sont souvent compris au sein d’un tendon → patella 5) Os irrégulier Les vertèbres ou crânien Remarque : Dispositions des insertions musculaires au niveau des os : Imaginons si nous plaçons l’insertion distale du biceps au niveau du poignet. Certe le bras de levier serait plus important, mais pour effectuer un mouvement de même amplitude il faudrait avoir un plus grand raccourcissement du biceps qu’avec l’insertion distale que l’on retrouve au niveau du radius III - Caractéristiques Mécaniques 5  UE 10.1 Sciences Biomédicales : Biomécanique du Tissu Osseux Bertin Janssen 22/10/2024 A) Contraintes Osseuses Nos os subissent quotidiennement des contraintes; voici les différents types : 1) Compression C’est la contrainte la mieux tolérée par nos os. Il faut mettre énormément de force pour avoir un peu de déformation dans le sens longitudinal, donc plus on tracte dans l'orientation des fibres et + on va avoir de résistance en fonction de la force. A l’inverse si il y a un choc perpendiculairement à l’os on va avoir + de chance de déformer voir fracturer (comme un bout de bois) 2) Traction = Très présente au niveau des insertions des tendons et des ligaments sur l’os. C’est une traction longitudinale = dans leur grand axe Suite aux tractions musculaires on peut avoir la formation de tubérosité, c’est le cas au niveau de l’enthèse (jonction tendino-osseuse) du tendon patellaire qui avec les contraintes occasionnées par la contraction du quadriceps, va effectuer une traction poussant à l’éminence de la tubérosité tibial. Lorsque l’os ne s’adapte pas assez rapidement suite à des contraintes pendant la croissance, cela peut engendrer l’Osgood-Schlatter (vers 12-13 ans) 3) Flexion = -Flexion par cintrage : Par exemple quand on veut casser un bambou avec le genou et les mains (2 forces aux extrémités et une force qui va dans l’autre direction au centre de l’os) -Flexion de flambage : C’est un phénomène d'instabilité d'une structure qui, soumise à un effort normal de compression, a tendance à fléchir. SI on a une convexité vers l’avant de la diaphyse fémorale par exemple, lorsque que l’on a une charge dessus alors il va y avoir une augmentation de cette convexité au fur et mesure. ( ex : canne de charlie chapline ) -Flexion de contrainte décentrée : 6  UE 10.1 Sciences Biomédicales : Biomécanique du Tissu Osseux Bertin Janssen 22/10/2024 Exemple du col fémoral avec l’angle cervico-diaphysaire qui diminue au cours de la croissance chez l’enfant 4) Torsion = L’os subit un couple de force c’est à dire que les forces appliquées peuvent être opposées (en général une partie en haut de l’os et l’autre en bas). De plus, c'est une contrainte mal tolérée par l’os contrairement aux compressions. 5) Friction Le plus souvent nos os subissent des compressions avec la marche, saut,... avec la gravité au quotidien. Mais nos os sont faits pour pouvoir bien les supportées. 6) Cisaillement Remarque : En fonction du sport pratiqué il peut y avoir des rotations mais les contraintes en rotation seront d’abord impacté sur notre tissu moue avant le tissu osseux. C’est pour cela que l’on ne la compte pas vraiment comme une contrainte osseuse à proprement parlé. Lorsque les contraintes exercées sur l’os sont trop importantes, elles peuvent amener jusqu’à la fracture. Cette fracture n’aura pas la même forme si elle s’est faite en torsion, en traction,... : - Fracture en traction → Fracture transversale ( ex : fracture de fatigue, arrachement osseux ) - Fracture en compressions → Fracture oblique - Fracture en torsion → Fracture spiroïde - Fracture en flexion → Fracture en aile de papillon ( plurifragmentaires ) 7  UE 10.1 Sciences Biomédicales : Biomécanique du Tissu Osseux Bertin Janssen 22/10/2024 B) Relation contrainte déformation de l’os : Le module de Young varie en fonction du type d’os car ils ont un comportement très différent L’os cortical sera très résistant mais une fois qu’on le déforme il va très vite casser l’os trabéculaire se déforme mais au moins on va le laisser se déformer pendant longtemps ( phénomène de fluage ) comme on ne veut pas quelque chose de très rigide et à l’inverse mou, on fait un mixte Propriété mécanique de l’os immature : Chez l’enfant beaucoup de cartilage de croissance ( il va pouvoir se déformer ). C’est ce qu’on lui demande pour qu'il s'adapte aux contraintes qu'on lui impose Les facteurs influençant l’analyse mécanique de l’os - Composition - Nutrition ( apport vasculaire, apports nutritionnels ) - Hydratation - Géométrie de l’os ce que l’os déteste le + c’est de la contrainte en torsion - Facteurs influençant l’analyse mécanique de l’os - Propriété anisotrope - Notion de fatigabilité - Effet poutre composite - 8  UE 10.1 Sciences Biomédicales : Biomécanique du Tissu Osseux Bertin Janssen 22/10/2024 4. Lois osseuses : - Loi sur le flambage des courbures ( Euler ) : Dans la formule d’Euler, la charge critique diminue quand la longueur de flambement de la colonne augmente ce qui est logique : plus la colonne est élancée plus la charge critique diminue. En pratique, la formule d’Euler n’est plus directement utilisée pour caractériser / dimensionner une colonne. Cette loi fait référence à la force axiale de compression nécessaire pour provoquer l’instabilité latérale d’une colonne verticale en apesanteur. - Croissance Loi de Wolff : - La loi de Wolff ( chirurgien allemand 1836-1902 ) est un concept classique de la chirurgie orthopédique qui s'énonce comme suit : l’os se forme et se résorbe en fonction des contraintes mécaniques qu’il subit. Sa résistance varie en fonction de la direction sur laquelle la charge est appliquée. En gros la loi de Wolff stipule que les os s’adaptent au degré de charge mécanique, de sorte qu’une augmentation de la charge entraîne un renforcement de l’architecture de l’os spongieux interne, suivi du renforcement de la couche corticale 5. Processus adaptatifs de l’os : - Remodelage : Le remodelage osseux est un processus dynamique et cellulaire par lequel la matrice osseuse minéralisée est constamment résorbée et reformée, de sorte à assurer tout au long de la vie trois fonctions majeures : l’adaptation de la géométrie et de la masse osseuses aux contraintes de la croissance, de la locomotion et de l’exercice 9  UE 10.1 Sciences Biomédicales : Biomécanique du Tissu Osseux Bertin Janssen 22/10/2024 - Propriétés mécaniques de l’os immature : ce que l’on comprend de ce schéma est que l’adulte peut imposer une contrainte mécanique sur ces os plus forts que l’enfants mais sur moins longtemps. La déformation sera également plus longue. - Propriétés mécaniques de l’os vieillissant : 10  UE 10.1 Sciences Biomédicales : Biomécanique du Tissu Osseux Bertin Janssen 22/10/2024 - Cicatrisation osseuse : les différents types de fracture ( à connaitre pour la culture G au moins ) : Les différentes phases de cicatrisation après une fracture osseuse et leurs temps : 11  UE 10.1 Sciences Biomédicales : Biomécanique du Tissu Osseux Bertin Janssen 22/10/2024 - Effet de l’hyper et l’hypo-activité : 12