Mechanical Behavior of cancellous bone over differents strain rates : links between architecture and mechanical response

Comportement mécanique de l'os spongieux à différentes vitesses de déformation. : relations entre architecture et réponse mécanique.

Marianne Prot (1)

1 Institut de Biomécanique Humaine Georges Charpak

In order to develop means of protection and prevention for people and their activities, this thesis manuscript contributes towards understanding failure mechanisms under different loading rates. The behavior of cancellous bovine bone, unconfined, with marrow, has been studied over a range of 8 strain rates, from quasi-static (10-3/s) to dynamic (600/s) regimes. For the latter, specific interrupted compression experimental techniques were developed. The pre-compression micro CT architectural characterization highlighted relevant architectural parameters and the role this organization may have in the behavior of cancellous bone under different regimes. The fracture surfaces of the specimen were observed by post compression micro CT imaging. Despite the large experimental data base (127 samples), all architectural configurations present in individuals could not be tested. A first architectural generator was then developed to digitally create bone structures. Whilst avoiding the destructive nature of the test and the dependence of the samples, this tool contributes to the understanding of the fracture mechanisms of cancellous bone over a large range of strain rates. Finally, the immediate prospects for this work include the validation of the architectural generator using the discrete element method.

Afin de développer des moyens de protection et de prévention adaptés aux personnes et à leurs activités, ces travaux de thèse contribuent à la compréhension des mécanismes de rupture sous différentes vitesses de chargement. Le comportement de l’os spongieux bovins, non confiné, avec moelle, a été étudié sur 8 niveaux de vitesse de déformation, du régime quasi-statique (10-3/s) au régime dynamique (600/s). Pour cela, des techniques expérimentales de compression interrompue ont été développées. La caractérisation architecturale micro CT pré-compression a ensuite mis en évidence les paramètres de description architecturale pertinents ainsi que le rôle de cette organisation dans le comportement de l’os spongieux sous différents régimes de sollicitation. Associé à l’imagerie micro CT post compression, les faciès de rupture ont été observés. Malgré la base de données expérimentales (127 échantillons), toutes les configurations architecturales présentes chez un être vivant n’ont pas pu être testées. Un premier générateur d’architecture a alors été développé, permettant de créer numériquement des structures osseuses. S’affranchissant du caractère destructif des essais et la dépendance vis à vis des échantillons, cet outil contribue à la compréhension des mécanismes de fracture de l’os spongieux sur une grande plage de vitesses de déformations. Les fondations nécessaires à la validation d’un tel modèle en utilisant la méthode des éléments discrets s’inscrivent enfin comme perspectives immédiates de ces travaux.

Mots clés: Cancellous bone; Intermediate/Dynamic Regime; Interrupted tests; Fracture; Microstructure; Architectural Generator

Mots clés: Os spongieux; Régimes intermédiaire/dynamique; Essais interrompus; Generateur d'architecture; Microstructure; Fracture

Domaines: Biomécanique [physics.med-ph]

Marianne Prot. Comportement mécanique de l'os spongieux à différentes vitesses de déformation. : relations entre architecture et réponse mécanique.. Biomécanique [physics.med-ph]. Ecole nationale supérieure d'arts et métiers - ENSAM, 2015. Français. ⟨NNT : 2015ENAM0030⟩. ⟨tel-01314439⟩