Séquence d'évaluation mécanique du cartilage articulaire à un emplacement unique

Dans une étude récente, notre groupe a souligné l’importance de tenir compte de la variabilité topographique naturelle des propriétés mécaniques du cartilage sur la surface articulaire, notamment dans les études de réparation où l’on évalue l’effet de traitements. Les échantillons disponibles sont également limités, car les régions d’intérêt sont de petite taille. Une solution consiste à effectuer plusieurs essais au même emplacement. Cette étude visait donc à développer une séquence d’essais mécaniques permettant de caractériser le cartilage articulaire à un emplacement unique.

Portée : une séquence d’essais peut réduire le nombre d’échantillons nécessaires et l’influence de la variabilité naturelle des propriétés mécaniques sur l’analyse des données.

Origine des tissus

Six carottes ostéochondrales (diamètre : 3,5 mm), prélevées sur cinq fémurs distaux provenant d’articulations humaines cadavériques saines, fournies par RTI Surgical (Floride).

Séquence d’essais (figure 2)

Une période de repos de 10 minutes était respectée entre chaque essai. Les essais étaient réalisés dans du PBS.

Étape 1 : cartographies automatisées d’indentation et d’épaisseur

• La technique d’indentation automatisée permettait de mesurer les propriétés mécaniques sur toute la surface.
• L’épaisseur était obtenue par une version adaptée de la technique à l’aiguille.
• Le module instantané (IM) était extrait au moyen d’un modèle élastique d’indentation.
• L’IM et l’épaisseur du cartilage (h) de chaque carotte étaient calculés comme la moyenne des valeurs mesurées à moins de 6 mm du centre de la carotte.

Étape 2 : épaisseur au microscope de dissection

L’épaisseur du cartilage (h) était mesurée de nouveau au microscope de dissection.

Étape 3 : friction

• Une déformation à l’équilibre de 20 % était appliquée.
• L’essai de friction suivait une trajectoire circulaire de 5 mm sur verre, avec une rotation de 1 440°.
• Le coefficient de friction à l’équilibre (u_eq) était extrait.

Étape 4 : compression non confinée

• Une précompression de 10 % était suivie de cinq rampes de 2 % avec relaxation des contraintes.
• Les données étaient ajustées à un modèle poroélastique renforcé par des fibrilles pour extraire le module de la matrice (E_m), le module des fibrilles (E_f) et la perméabilité radiale (k_r).

Étape 5 : cisaillement

• Du papier abrasif de grain 1 500 était utilisé.
• Le module de cisaillement (G) était extrait à 10 %, 15 % et 20 % de compression.

Étape 6 : compression confinée

• Une précompression de 10 % était suivie de cinq rampes de 2 % avec relaxation des contraintes.
• Un modèle biphasique linéaire permettait d’extraire le module agrégé (H_A) et la perméabilité axiale (k_z).

Résultats

La figure 3 présente les paramètres extraits des six carottes dans les différentes configurations d’essai, à 20 % de déformation.

• Une corrélation significative (r = 0,81; p = 0,05) était observée entre l’épaisseur obtenue par cartographie automatisée (étape 1) et celle mesurée au microscope de dissection (étape 2).
• Les coefficients de friction étaient généralement supérieurs aux valeurs de la littérature. Toutefois, les valeurs de référence pour le cartilage sur verre dans du PBS provenaient de cartilage bovin, qui pourrait ne pas être comparable.
• E_m était environ 15 fois inférieur à E_f, conformément aux résultats attendus et publiés.
• Les valeurs de G se situaient dans la plage rapportée dans la littérature.
• H_A et k_z, obtenus en compression confinée, étaient similaires aux valeurs publiées.
• Les perméabilités hydrauliques axiale (compression confinée) et radiale (compression non confinée) différaient d’un facteur 10 pour une compression supérieure à 10 %, comme rapporté dans la littérature.

Discussion

La variabilité des mesures entre les six échantillons découle de leur répartition spatiale : ils ne provenaient pas du même compartiment de la surface articulaire. Cette séquence d’essais à un emplacement unique semble prometteuse, car elle fournit des valeurs cohérentes avec la littérature. Des analyses complémentaires, notamment histologiques ou biochimiques, peuvent ensuite être réalisées sur le même échantillon.

Des études ultérieures pourraient examiner différents états de dégénérescence du cartilage afin d’identifier les paramètres mécaniques les plus sensibles à la dégradation et d’étudier leurs corrélations avec les analyses complémentaires.