Modélisation par éléments finis des effets des médicaments sur la résistance de l’os

The osteo-articular system plays the role of crucial support for the whole human body. It supports the gravity forces as well as the efforts generated by daily activities. Thus the bone optimizes and adapts its mass and its geometry through the process of bone remodeling. This spatio temporal regulation can undergo metabolic imbalances such as osteoporosis which lead to the occurrence of the upper end of the femur fracture during a fall side or various traumas. In fact, osteoporosis is reflected into a decrease in bone density and level of damage at the level of the microarchitecture of bone tissue increasing therefore the risk of fractures. In the framework of this thesis, a mechanical modelling of the behaviour of the os as well as a biological modelling of cellular activities were firstly proposed. Secondly, the pharmacokinetics of four drugs were modeled which are Alendronate, Denosumab, the Romosozumaband the Odanacatib. Finally, the coupling of these models allowed us to have a mechanic-biological model coupled with the effects of drugs against osteoporosis that can predict the evolution of bone mineral density and of damage by fatigue allowing to analyze the evolution of the bone quality. This model has been implemented by finite elements ABAQUS/standard through its user routine UMAT.The model has been applied to simulate different scenarios of remodeling on human femurs (2D and3D). Different factors were analysed such as the range of physical activities, the doses of injected drugs,the duration of treatment, etc. Obtained results are consistent (qualitatively) with existing clinical studies.As a conclusion, the mechanic-biological model coupled with the effects of the proposed drugs contributes to the fine analysis of the bone behaviour and the application of algorithms allowed to conduct virtual tests in order to analyze the combined effects of many multidisciplinary factors characterizing the bone quality.Le système ostéo-articulaire a un rôle de soutien essentiel pour l’ensemble du corps humain. Il supporte les forces de gravité et les efforts produits par les activités quotidiennes. Ainsi l’os optimise et adapte sa masse et sa géométrie à travers le processus de remodelage osseux. Cette régulation spatio-temporelle peut subir des déséquilibres métaboliques comme l’ostéoporose qui conduisent à la survenue de fracture de l’extrémité supérieure du fémur lors d’une chute latérale ou de traumatismes divers. En effet l’ostéoporose se traduit par une diminution au niveau de la densité osseuse et des détériorations au niveau de la microarchitecture du tissu osseux augmentant ainsi le risque de fractures.Dans le cadre de cette thèse une modélisation mécanique du comportement de l’os ainsi qu’une modélisation biologique des activités cellulaires ont été proposées dans un premier temps. Dans un second temps, la pharmacocinétique de quatre médicaments a été modélisé soient l’Alendronate, le Denosumab,le Romosozumab et l’Odanacatib. Finalement, le couplage de ces modèles a permis d’avoir un modèle mécano-biologique couplé aux effets des médicaments contre l’ostéoporose qui permet de prédire l’évolution de la densité minérale osseuse et celle de l’endommagement par fatigue permettant ainsi d’analyser l’évolution de la qualité osseuse. Ce modèle a été implémenté au code de calcul par éléments finis ABAQUS/standard à travers sa routine utilisateur UMAT. Le modèle a été appliqué pour simuler différents scénarii de remodelage sur des fémurs humains (2D et 3D). Différents facteurs ont été analysés tels que l’amplitude des activités physiques, les doses de médicaments injectées, la durée des traitements, etc. les résultats obtenus sont cohérents (qualitativement) avec les études cliniques existantes. En conclusion, le modèle mécano-biologique couplé aux effets des médicaments proposés contribue à l’analyse fine du comportement de l’os et l’application des algorithmes a permis d’effectuer des essais virtuels permettant d’analyser les effets combinés de nombreux facteurs pluridisciplinaires caractérisant la qualité osseuse