Ingénierie tissulaire du Ligament Croisé Antérieur (LCA)

Transcription

1 /0/ Ingénierie tissulaire du Ligament Croisé Antérieur (LCA) Ingénierie tissulaire du Ligament Croisé Antérieur (LCA) Cédric Laurent Directeurs de thèse Jean-François Ganghoffer (LEMTA, Nancy) Rachid Rahouadj (LEMTA, Nancy) Laboratoire d Energétique et de Mécanique Théorique et Appliquée

2 /0/ Ingénierie tissulaire du Ligament Croisé Antérieur (LCA) Biologie Clinique Natalia De Isla Cédryck Vaquette Didier Mainard Brisbane, Australie Biomécanique et Bioingénierie ENSEM, Vandoeuvre-lès-Nancy Polymères Jérôme Babin Jean-Luc Six ENSIC, Nancy Rachid Rahouadj Jean-François Ganghoffer Xiong Wang Biochimie ENSIC et ENSAIA, Nancy Simulation numérique Ecole Centrale Paris Annie Marc Isabelle Chevalot Emmanuel Guédon Damien Durville

3 /0/ Ingénierie tissulaire du Ligament Croisé Antérieur (LCA) Le Ligament Croisé Antérieur (LCA) Défis associés à la réparation du LCA Conception d un scaffold pour le LCA Cahier des charges, proposition et réalisation d un nouveau scaffold Ingénierie tissulaire assistée par ordinateur Développement d outils numériques dédiés Evaluation biologique Culture statique et culture dynamique du scaffold Travaux actuels et perspectives Caractérisation du microenvironnement durant la culture

4 /0/ Ingénierie tissulaire du Ligament Croisé Antérieur (LCA) Le LCA: aspects cliniques Le LCA est essentiel pour la stabilité du genou est fréquemment rompu ne guérit pas spontanément nécessite une intervention chirurgical en cas de rupture Procédure chirurgicale Bicer et al. 00 Reconstruction classique monofaisceau Reconstruction anatomique doublefaisceaux Adapté de Lewis et al. 989 Yasuda et al. 009 Résultats à court terme satisfaisants Cinématique du genou mieux recouvrée Problèmes liés au site donneur Nécroses à long terme Cinématique du genou non recouvrée Problèmes liés au site donneur Nécroses à long terme

5 /0/ Ingénierie tissulaire du Ligament Croisé Antérieur (LCA) Ingénierie tissulaire du LCA Cellules réparatrices Nutriments Facteurs biochimiques Scaffold biodégradable Culture in vitro dans un bioréacteur IMPLANTATION Formation du tissu + Dégradation du scaffold Fan et al. 008 Néo-tissu Idéalement Plus de problèmes liés au site donneur Pas de complications à long terme Mais La pertinence clinique reste à démontrer Le cahier des charges à remplir pour le scaffold est très lourd

6 /0/ Ingénierie tissulaire du Ligament Croisé Antérieur (LCA) 6 Conception d un scaffold: cahier des charges Clinique Biologique/biochimique Biocompatible, biodégradable (> an) Compatible avec le protocole actuel Dimensions anatomiques Production à grande échelle, stockage Mécanique à l échelle articulaire Micromécanique à l échelle cellulaire F Noyes et al. 97 >00N Toe region 0 N/mm >% ε Adapté de Lacroix and Prendergast 00 Morphologique Taille de pore > 00 µm Interconnectivité Intérêt des gradients (accessibilité des pores) Jones et al. 009

7 /0/ Ingénierie tissulaire du Ligament Croisé Antérieur (LCA) 7 Conception d un scaffold: proposition d un candidat Materiau : PLCL (PCL+PLLA) Biocompatible, biodégradable (~ ans) Très déformable Propriétés ajustables en fonction du ratio PLLA/PCL Architecture : tresse circulaire multicouche D, poreuse Réponse en traction non linéaire Rigide dans la direction de la tresse Propriétés ajustables en fonction des paramètres de procédé Fabrication à l échelle du laboratoire Structure ajustable en fonction du diamètre des fibres du nombre de couches de l angle de tressage Géométrie prédictible adaptée à l ingénierie tissulaire assistée par ordinateur (ITAO)

8 /0/ Ingénierie tissulaire du Ligament Croisé Antérieur (LCA) 8 ITAO: intérêt et génération d un scaffold virtuel Ingénierie tissulaire assistée par ordinateur (ITAO) Prédiction des propriétés du scaffold en fonction de paramètres de procédé Relation entre les sollicitations extérieures et le microenvironnement Optimisation des conditions de culture / de l ensemencement des cellules Description numérique du scaffold Analyse de la cinématique de tressage Détermination des trajectoires des fibres Scaffold virtuel Comparaisons entre les géométries réelle et virtuelle Géométrie virtuelle Géométrie réelle

9 /0/ Ingénierie tissulaire du Ligament Croisé Antérieur (LCA) 9 ITAO: Caractérisation morphologique Laurent et al., Journal of biomechanical Engineering, 0, Vol., Simulations des pores au sein du scaffold Interconnectivité des pores Taille des pores (µm) Effets des paramètres de procédé Distribution de la taille des pores Taille des pores Rayon

10 /0/ Ingénierie tissulaire du Ligament Croisé Antérieur (LCA) 0 ITAO: Modélisation par Eléments Finis (EF) Intérêt d une modélisation par Eléments finis (EF) à l échelle des fibres Prédiction de la réponse mécanique du scaffold en fonction des paramètres procédé Relation entre les sollicitations extérieures et les stimuli mécaniques locaux Caractérisation de l évolution de la géométrie du scaffold sous culture dynamique Contacts et frottement entre les fils: difficile avec des codes EF commerciaux Intérêt de codes EF dédiés aux matériaux textiles (D. Durville, MSS-Mat) Optimisation de la recherche de contact à partir de géométries intermédiaires Contact et frottement entre fibres Modèle de poutres à cinématique enrichie Déformation transverse Cadre des grandes déformations Géométrie intermédiaire Adapté de Durville 007 Particules d un élément de contact Plans normaux pour la recherche du contact Loi de comportement élastoplastique non-linéaire

11 ITAO: Modélisation par Eléments Finis (EF) Laurent et al., Journal of Mechanical Behaviour of Biomedical Materials, 0, in press Nombre de couches, diamètre des fils, angles de tressage Détermination de la configuration initiale Tests en traction/torsion (9%, 0 ) Déformation octaédrique Détermination des champs mécaniques locaux /0/ Ingénierie tissulaire du Ligament Croisé Antérieur (LCA)

12 /0/ Ingénierie tissulaire du Ligament Croisé Antérieur (LCA) ITAO: Simulations de la dynamique des fluides Intérêt de simuler la dynamique des fluides Stimuli mécaniques induits par le fluide Accessibilité des pores pour l arrivée des nutriments et l évacuation des déchets Modélisation de la prolifération cellulaire Implémentation des résultats EF dans Gerris (open source) Simulation de traceurs passifs Maillage adaptatif Simulation des vitesses de fluides (et des contraintes de cisaillement induites) à la surface du scaffold

13 /0/ Ingénierie tissulaire du Ligament Croisé Antérieur (LCA) Evaluation biologique: culture statique J J7 J J J8

14 /0/ Ingénierie tissulaire du Ligament Croisé Antérieur (LCA) Evaluation biologique: culture dynamique L intérêt d un bioréacteur dynamique est double: Reproduire les sollicitations physiologiques pour simuler une implantation in vivo Besoin d un bioréacteur en traction/torsion Fournir aux cellules les stimuli mécaniques nécessaires Stimuli dans la phase solide Bicer et al. 00 Stimuli induits par le fluide

15 Travaux actuels et perspectives Recherche de la configuration de scaffold optimale Simulations de différents exercices de réhabilitation Rigidité Charge maximale «Toe region» Taille de pores Nombre de couches Diamètre de fibres Angle de tressage Contraction isométrique du quadriceps.% Déformation octahédrique Exercices d acroupissement % + torsion de Configuration initiale /0/ Ingénierie tissulaire du Ligament Croisé Antérieur (LCA)

16 /0/ Ingénierie tissulaire du Ligament Croisé Antérieur (LCA) 6 Travaux actuels et perspectives Comparaisons avec des résultats de µct Optimisation des conditions de culture à partir de données mécanobiologiques Discrimination des zones de glissement entre fibres Variations morphologiques dynamiques Cas d une reconstruction anatomique double-faisceaux Intégration de l évolution des propriétés du matériau dans le temps

17 /0/ Ingénierie tissulaire du Ligament Croisé Antérieur (LCA) 7 Travaux actuels et perspectives Quantification de la formation de tissu sous différentes conditions de culture Directions des cellules vs directions principales des déformations Comparaisons entre les informations locales et les observations biologiques Evaluation in vivo Coulet et al. 0

18 Questions? /0/ Ingénierie tissulaire du Ligament Croisé Antérieur (LCA) 8