Bone remodeling and implant stability

Du fait de l'augmentation de la durée de vie de la population et de la fréquence de certains types d'accidents, la problématique de l'évolution des articulations et du vieillissement osseux devient primordiale, ce qui implique de nombreuses opérations chirurgicales nécessitant une pose d'implant. Bien que ces interventions soient réalisées depuis longtemps de façon routinière, il subsiste des risques d'échec chirurgical pouvant avoir des conséquences dramatiques pour le patient. Malgré les évolutions apportées, le taux d'échec implantaire est encore important car les phénomènes mis en jeu restent mal compris du fait de leur complexité et de leur nature multi-échelle. Un des aspects essentiels de la réussite des ces opérations concerne l'ostéointégration de l'implant, c'est-à-dire la capacité de l'os à se régénérer autour de ce corps étranger en l'intégrant durablement. La réussite chirurgicale dépend en premier lieu des caractéristiques physiques de l'interface os-implant transmettant les efforts biomécaniques qui jouent un rôle majeur dans le remodelage osseux. Ces travaux de recherche s'inscrivent dans le cadre du développement d'une approche expérimentale multimodale pour la caractérisation de l'interface os-implant afin d'évaluer l'impact de la reconstruction osseuse sur la réponse mécanique de l'implant. La première partie met en œuvre une approche multiphysique utilisant un modèle animal dédié. Des pastilles en titane sont implantées in vivo sur la partie proximale du tibia du lapin pendant différents temps de cicatrisation. Une technique de nanoindentation permet de mesurer les propriétés mécaniques de l'os néoformé à l'échelle microscopique. La technique de diffusion micro-Brillouin permet de mesurer la vitesse ultrasonore de l'os néoformé à la même échelle. Les résultats obtenus à partir de ces deux techniques permettent de déterminer la différence de densité volumique entre l'os mature et l'os néoformé aux différents temps de cicatrisation considérés. Dans la seconde partie, un dispositif ultrasonore destiné à l'étude de la stabilité d'implants dentaires en titane est présenté. La réponse ultrasonore obtenue en mode échographique est sensible aux propriétés du matériau (os, biomatériau) au contact de l'implant. Premièrement, la réponse ultrasonore d'implants dentaires insérés dans un substitut dentaire bioactif (silicate tricalcique) et sollicités par un protocole de fatigue mécanique in vitro est mesurée. Pour cela, un banc de fatigue mécanique simulant la mastication a été développé. Deuxièmement, ce même dispositif ultrasonore est utilisé pour déterminer in vitro la stabilité primaire d'un implant dentaire placé dans un os bovin. Troisièmement, une étude in vivo utilisant un modèle animal (lapins) a permis de mettre en évidence l'effet du temps de cicatrisation sur la réponse ultrasonore de l'implant. Ce dispositif ultrasonore permet de quantifier la stabilité primaire et secondaire d'un implant dentaire. Les phénomènes de propagation ultrasonore dans l'implant sont modélisés en utilisant des techniques de simulations numériques par éléments finis. Les simulations montrent le potentiel de la technique pour suivre les variations de plusieurs paramètres déterminants pour l'ostéointégration de l'implant dans des conditions contrôléesDue to the increase of life duration and to the frequency of certain types of accidents, the problematic of the evolution of joints and aging bone has become crucial, leading to an important number of surgical interventions requiring implant placement. Although these interventions are carried out routinely in the clinic, there are still risks of surgical failure, which induce dramatic consequences for the patient. Despite the evolution of the surgical strategies, the implants failure rate remains important because the phenomena involved are not well understood due to their complexity and to their multi-scale nature. One of the main determinants of the success of these surgical interventions lies in the implant osseointegration, that is to say the ability of bone tissue to regenerate around the implant integrating the implant in a sustainable manner. The surgical success depends primarily on the physical characteristics of the bone-implant interface transmitting the biomechanical efforts, which play a major role in bone remodeling. The approach carried out in the present research consist in developing a multimodal experimental approach to characterize the biomechanical properties of the bone-implant interface in order to assess the impact of bone remodeling around the implant on the mechanical response of the implant. In the first part, a multiphysical approach is carried out using a dedicated animal model. Coin-shaped titanium implants are implanted in vivo on the proximal part of the tibia of rabbits during different periods of healing time. A nanoindentation device is used to measure the mechanical properties of the newly formed bone at the microscopic level. A micro-scattering Brillouin device is employed to estimate the ultrasonic velocity of newly formed bone at the same scale. The results obtained with both techniques are used to determine the difference of bone mass density difference between mature bone tissue and newly formed bone tissue for different healing times.In the second part, an ultrasonic device aims at investigating the stability of titanium dental implants. The ultrasonic response is measured in echographic mode and is shown to be sensitive to the properties of the material (bone, biomaterial) in contact with the implant. Firstly, the evolution of the in vitro ultrasonic response of dental implants inserted into a bioactive dental substitute (tricalcium silicate based cement) and loaded using a mechanical protocol stress is assessed. To do so, a mechanical fatigue bench simulating chewing motions was developed. Secondly, the same ultrasonic device is used to determine in vitro the primary stability of an implant placed into bovine bone tissue. Third, an in vivo study using an animal model (rabbit) investigates the effect of healing time on the ultrasonic response of the implant. The ultrasound device is used to quantify the primary and secondary dental implant stability. The phenomena of ultrasonic propagation in the implant are modeled using techniques of numerical simulations by finite elements. The simulations show the potential of the technique to monitor changes in several key parameters for osseointegration of the implant under controlled condition