GTS812: Ingénierie des systèmes humains
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Histophysiologie ostéo-articulaire. Articulations. Cartilage. Histophysiologie ostéo-articulaire Os et tissus osseux On distingue : - la colonne vertébrale - le sternum et les côtes - la tête - les membres supérieurs - les membres inférieurs Os et tissus osseux Suivant la forme de l’os : Les os plats Les os courts Les os irréguliers Les os longs : Diaphyse Les épiphyses Les métaphyses STAPS, 2002 Os et tissus osseux Éléments du tissus osseux : Périoste et endoste Ostéoblastes et ostéoclastes Ostéocytes Matrice extracellulaire : Substance fondamentale : liquide et protéines Fibres : collagène et élastiques Sels minéraux : calcium et phosphore Rappel : tissus conjonctifs Os et tissus osseux Nordin & Frankel, 2001 Os et tissus osseux Mode de formation et de résorption du tissus osseux : Ostéoblastes Hormone parathyroïdienne Tissus ostéoïde + Vit. D Ostéoclastes Calcification du tissu Destruction du tissu Calcium + phosphore dans les liquides interstitiels Os et tissu osseux Structure du tissu osseux : Tissu osseux compact (os cortical, cortical bone) = 80% de la masse osseuse Tissu osseux spongieux (cancellous bone, trabecular bone) Différences os long vs. os courts, irréguliers, plats : Canal médullaire vs. diploé Moelle jaune vs. rouge Ostéon vs. travées Nordin & Frankel, 2001 Os et tissu osseux Croissance de d’os : Épaisseur : ostéoblastes Longueur : cartilage de conjugaison Facteurs d’influence : Génétiques Mécaniques Vasculaires Métaboliques = phosphore, calcium et vitamine D Hormonaux Os et tissu osseux Remodelage osseux : Modulé par les contraintes mécaniques : loi de Wolff Résistance et rigidité : Affectés par l’immobilisation Affectés par les implants Nordin & Frankel, 2001 Os et tissu osseux Effet de l’âge : Réduction de l’os spongieux Amincissement de l’os cortical Nordin & Frankel, 2001 Os et tissu osseux - résumé L’os est un composite bi-phasique L’unité structurale de l’os est l’ostéon Le squelette est composé d’os cortical et spongieux Remodelage suivant les contraintes appliquées Effet de l’âge, du sexe, des hormones, de l’alimentation, etc. Articulations Organe d’union de deux ou plusieurs pièces osseuses : Fibreuses (sutures) Cartilagineuses (symphyses) Synoviales (cartilage, cavité articulaire, capsule articulaire, liquide synovial, ligaments) STAPS, 2002 Cartilage Cartilage articulaire (hyaline articular cartilage) Tissu très différentié Avascularisé – physiologiquement isolé Cellules : chondrocytes Composé de fibres collagène et de la substance fondamentale 2 fonctions : (1) distribuer la charge sur une grande surface (2) permettre le mouvement relatif avec une friction et une usure minimale Cartilage articulaire Composition et structure : Chondrocytes (1-10% du volume tissulaire) Collagène (15-22%) Protéoglycanes (4-7%) Eau, sels, protéines, lipides (60-85%) Nordin & Frankel, 2001 Cartilage articulaire Collagène : Unité de base : tropocollagène Nordin & Frankel, 2001 Cartilage articulaire Collagène : Nordin & Frankel, 2001 Cartilage articulaire Collagène : Distribution non homogène Hauteur 5-10% Parallèles 40-45% Obliques 40-45% Perpendiculaires 5-10% Atlas de l'arthrose, J.P. Pujol, 1995 Cartilage articulaire Collagène : Type II : structure de base des fibrilles Type XI : à l’intérieur des fibrilles lié de façon covalente au collagène de type II Type IX : extérieur des fibrilles Type VI : à la surface et dans l’espace péricellulaire Type X : tapis autour des chondrocytes Cartilage articulaire Propriétés mécaniques du collagène : Résistance élevée en tension Résistance faible en compression Anisotropique : Arrangements variés des fibres de collagène Variation des interactions entre PG et collagène Cartilage articulaire Les chondrocytes : Cartilage articulaire Les protéoglycanes : Nordin & Frankel, 2001 Cartilage articulaire Eau : Concentré au niveau de la surface articulaire Na+, K+, Ca2+ Circulation des gaz, éléments nutritifs et déchets entre chondrocytes et fluide synovial 70% de déplacement d’eau sous charge : contrôle le comportement mécanique + lubrification Cartilage articulaire Interactions structurelles et physiques entre les composantes : Forces répulsives : pressions de gonflement Chargement : augmentation des forces répulsives Nordin & Frankel, 2001 Cartilage articulaire Interactions : Force compressive Déformation des molécules PG Pression interne excède la pression de gonflement Liquide sort Équilibre avec la force externe Augmentation de la concentration en PG Augmentation de la pression de gonflement Cartilage articulaire Interactions : La résistance à la compression du cartilage provient de deux sources 1. 2. La pression osmotique de gonflement associés aux groupes ioniques fixés au GAG La résistance à la compression du tissu collagénique en lui même Cartilage articulaire Comportement mécanique : Viscoélasticité : s Fluage Relaxation de la contrainte total= s s solide+ fluide Nordin & Frankel, 2001 Cartilage articulaire Lubrification mixte : Lubrification limite hors charges : glycoprotéine Weeping lubrification ou boosted lubrification en charge Nordin & Frankel, 2001 Cartilage articulaire Hypothèses sur la biomécanique de la dégénérescence du cartilage : Amplitude des contrainte imposées Nombre de pics de contraintes Changements dans la structure moléculaire et microscopique de la matrice de collagène Changements dans les propriétés mécaniques du tissu Cartilage articulaire déformation Progression de l’arthrose Perte de PG Cartilage normal Exudation de fluide Dommage au collagène densité de charges fixes traînée de friction Arthrose Cartilage pression perméabilité hydraulique Déformation de la matrice plus importante Échanges de fluides plus importants Agit pour diminuer les propriétés de support de charge du cartilage Cartilage articulaire - résumé Fonction du cartilage : augmentation de la distribution des charges (diminuant ainsi les contraintes) et fournir une surface de support lisse et résistante à l’usure Matériau multiphasique ou triphasique ? Résistance à la friction au flux de fluide interstitiel et propriétés intrinsèques de la matrice solide Dommages causés au cartilage : altération des propriétés mécaniques Cartilage articulaire - résumé Nordin & Frankel, 2001 Affiches Formation des équipes Définition du sujet
