Biomécanique du système ostéoarticulaire : de l'organe au tissu et à la cellule

Les os remplissent différentes fonctions mécaniques et métaboliques dans le corps humain ; ils donnent au corps sa forme extérieure, maintiennent et protègent les tissus mous. D'un point de vue dynamique, ils permettent la transmission des forces musculaires. Ils jouent ainsi avec les articulations un rôle majeur dans le mouvement humain.

Si l'os est le tissu biologique qui a été le plus étudié par les biomécaniciens, les connaissances dans certains domaines doivent encore progresser. C'est le cas de l'os en croissance. Mieux connaître les propriétés mécaniques des os des enfants, leurs évolutions avec la croissance, leurs caractéristiques à la rupture ou leur processus de régénération est nécessaire, par exemple, pour l'amélioration des dispositifs de sécurité des véhicules, pour la compréhension de certaines pathologies et de leurs traitements.

De nos jours, l'espérance de vie augmente considérablement sans pour autant que la qualité mécanique des tissus et de l'os en particulier soit maintenue. Ainsi, de plus en plus de patients ont recours chaque année à des traitements de reconstruction osseuse. Ces traitements doivent répondre également à une exigence toujours plus importante de la part des patients qui désirent conserver leur qualité de vie et leurs activités physiques et sportives. Le vieillissement et les pathologies des os, la dégradation des tissus composant les articulations, les fractures et leurs réparations sont des problèmes majeurs de santé publique. Les arthroplasties totales, de la hanche ou du genou par exemple, consistent à remplacer l'articulation concernée par une prothèse. Elles sont pratiquées après fractures liées ou non à la dégénérescence des tissus calcifiés, à la dégradation des surfaces articulaires, lorsque les douleurs qu'un patient ressent deviennent difficilement supportables et limitent ses mouvements.

Les chirurgiens se tournent également vers des traitements alternatifs nécessaires lors de perte de substance osseuse étendue. Les travaux actuels visent au développement de nouvelles thérapies qui favorisent et induisent une régénération osseuse fonctionnelle. Plus généralement, ces approches visent à reconstituer différents tissus (os, cartilage, peau...) de façon structurelle et fonctionnelle en associant in vitro des biomatériaux et des cellules souches pour développer des dispositifs qui seront ensuite implantés chez les patients.

Ainsi, l'étude biomécanique d'un système ostéoarticulaire qu'il soit sain, pathologique ou réparé nécessite une approche intégrée multidisciplinaire, multi-échelle et multi-physique développée grâce à des liens forts entre biomécaniciens, biologistes, spécialistes des matériaux (au sens de la science de matériaux) et cliniciens. Les analyses doivent concerner les réponses de ces systèmes à leurs différentes échelles significatives (cellule, tissu et organe) dans leur environnement mécanique, biologique dans les cas physiologique et pathologique.

L'objectif de cet article est de présenter les travaux des biomécaniciens dans ces domaines. La première section concerne la croissance et le vieillissement des os, la seconde les prothèses, et la troisième la biomécanique cellulaire.