Analyse multi-échelle du comportement des biomatériaux in vivo et
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Analyse multi-échelle du comportement des biomatériaux in vivo et
Journée thématique « Vivant », fédération CNRS CIMReV, 05/12/2011, Université Lyon 1, site Rockefeller. Compte-rendu J. Molimard, C. Pailler-Mattei Personnes présentes : 26 Ola Amad (LPMG), Pierre Badel (LCG), Bernard Beaugiraud (ECL), Sandrine Bec (LTDS), Yves Berthier (LamCos), Rebecca Bonnaire (LCG), Bertrand Boyer (LCG / CHU SaintEtienne), Gaëtan Boyer (Péritesco), Marie Chaze (LTDS), Johan Debayle (LPMG), Romain Debret (Univ. Lyon 1), Nicolas Demanget (LCG), Bernard Forest (LCG), Vincent Fridici (LTDS), Philippe Kapsa (LTDS), Christine Matta (LTDS), Bilal Merei (LCG), Ali Mojallal (Hopital E. Herriot), Jérôme Molimard (LCG), Cyril Pailler Mattei (LTDS), Jean-Charles Pinoli (LPMG), Aaron Romo (LCG), Franck Simon (PTM), Hassan Zahouani (LTDS), Daniel Hartmann (Univ. Lyon 1). Le programme de la journée ainsi que les résumés disponibles sont en annexe. L'origine des participants ainsi que l'origine des orateurs est donnée dans les figures 1 et 2. On constate au final un bon équilibre des laboratoires ; Il a été choisi d'avoir environ 50% d'orateurs extérieurs, de manière à enrichir les échanges par une vue soit industrielle, soit de praticiens hospitaliers. LPMG LCG LTDS autre Figure 1. Origine des participants LPMG LCG LTDS autre Figure 2. Origine des orateurs Session « prothèses » La session « prothèse » montre la prise en charge par les équipes de la Fédération des problèmes tribologiques, soit vus sous l'aspect matériaux (céramique – LTDS notamment) sous l'aspect topographique (usure – LCG / LPMG), ou encore mécanique (double mobilité, chocs – LCG). Les relations entre les trois groupes existent déjà de manière continue (projet ANR Opt Hip). La génération de débris, dont la nocivité a été faiblement discutée, a pourtant toujours été évoquées. Le PTM a présenté son activité de relais entre ses adhérents – des sociétés de la région stéphanoise essentiellement – et les laboratoires de recherche. Session « Peau » La présentation de M. Dos Santos a été annulée. L'étude de la peau montre une plus grande variabilité que la précédente, avec des approches biologiques (utilisation du cutis laxa comme modèle de vieillissement), médicale (reconstruction plastique par cellules souches). Journée thématique « Vivant », fédération CNRS CIMReV, 05/12/2011, Université Lyon 1, site Rockefeller. Les laboratoires de la Fédération ont présenté des travaux concernant la caractérisation de défauts cutanés (mélanomes) par traitement d'images couleurs, et des travaux sur le vieillissement mécanique des tissus. Finalement, ces deux thèmes ont été également abordés par G. Boyer pour Péritesco. Les points de convergence entre les laboratoires de la Fédération sont moins nombreux ici : LCG et LTDS ont des actions existantes déjà anciennes ; l'apport du LPMG pourrait être dans le traitement de l'information bidimensionnelle (traitement d'images coLIP). Journée thématique « Vivant », fédération CNRS CIMReV, 05/12/2011, Université Lyon 1, site Rockefeller. Programme de la journée 9h-9h30 Accueil Session Prothèses 9h30 - 10h A M Sfarghiu (LamCos) Conception des implants articulaires : interactions entre simulations numériques et expérimentales. 10h-10h30 J.C. Pinoli, Ola Amad (LCG / LPMG) Modélisation, simulation et caractérisation morphologiques par champs aléatoires et géométrie intégrale de surfaces microstructurées : Application aux cupules double mobilité pour les prothèses totales de hanche 10h30 - 11h pause 11h-11h30 Vincent Fridrici(LTDS) Le Pôle des Technologies Médicales : partenaire de la valorisation de la recherche 11h30 - 12h Franck Simon (PTM) 12h-12h30 Élaboration, caractérisations mécanique et tribologique et étude de biocompatibilité de composites alumine-zircone innovants pour têtes de prothèses totales de hanches Bertrand Boyer (LCG / Analyse multi-échelle du comportement des biomatériaux in vivo et in vitro CHU Saint-Etienne) 12h30-14h Repas Session Peau 14h-14h30 Romain Debret (Université Étude des maladies génétiques d'élastogenèse imparfaite comme modèles du vieillissement Lyon 1) 14h30-15h Morgan Dos Santos (BASF) Peau Reconstruite en 3-D : système de reconstruction tissulaire et 15h-15h30 Ali Mojallal (H. Edouard Herriot) 15h30-16h pause 16h-16h30 Jean Charles (LPMG) 16h30-17h Gaëtan Boyer (Peritesco) Ingénierie des mesures du vieillissement in vivo 17h-17h30 Hassan Zahouani (LTDS) Les indicateurs de la tension cutanée lors du vieillissement chronologique 17h30-18h source d’inspiration de la stratégie anti-âge Cellules souches en chirurgie plastique, vieillissement facial et traitements proposés Pinoli Une nouvelle théorie mathématique algébrique pour le traitement d’images en couleur : Application à la modélisation et à la caractérisation de l’apparence de la peau humaine Conclusion de la journée Journée thématique « Vivant », fédération CNRS CIMReV, 05/12/2011, Université Lyon 1, site Rockefeller. Modélisation, simulation et caractérisation morphologiques par champs aléatoires et géométrie intégrale de surfaces microstructurées. Application aux cupules double mobilité pour les prothèses totales de hanche. Ola AHMAD , Yann GAVET, Jean GERINGER, Jean-Charles PINOLI (ENS des Mines de Saint-Etienne) Collaboration : Frédéric FARIZON (CHU de Saint-Etienne) Objet de l’exposé : Présentation de la problématique scientifique (mise en place d’une modélisation associant la théorie des champs aléatoires et la géométrie intégrale). Application à la modélisation et à la caractérisation l’usure des prothèses de hanche à double mobilité. Contexte applicatif et fondamental : 120000 prothèses de hanche sont implantées chaque année, en France, 800000 en Europe. Cet acte chirurgical représente un enjeu de santé publique majeur, dans les années à venir. Actuellement le taux de survie moyen d’une prothèse de hanche est compris entre 10 et 15 ans. Chaque nouvelle reprise représente un risque pour le patient et un coût supplémentaire. Dans le but d’augmenter la durée de vie des implants, un concept original d’articulation d’une prothèse de hanche, le concept de double mobilité, avait été breveté par la société SERF en 1976 ; passé dans le domaine public 20 ans plus tard, il représente maintenant 30 % des implants de hanche en France. L’essor de cet implant ne cesse de croître ; aux Etats-Unis, il a été reconnu en 2011 par la FDA (Food and Drug Administration). En lien avec le sujet de thèse proposé, des investigations sont en cours avec le CHU (service Chirurgie Orthopédique et Traumatologie) de Saint-Etienne, à l’origine de la création de ce concept de double mobilité et l’ENS des Mines de Saint-Etienne (LCG) qui supporte une thèse de doctorat pour analyser le comportement in vivo et in vitro de ces implants [1]. Objectifs scientifiques de la thèse de doctorat d’Ola Ahmad (2010 – 2013) [2] : Caractérisation de la topographie des différentes microstructures (faciès d’endommagement), obtenues par un profilomètre optique interférentiel. Modélisation par combinaison de plusieurs approches (champs aléatoires, géométrie intégrale et morphologie mathématique) permettant de reproduire les surfaces des microstructures analysées. Ces modèles devront prendre en compte des paramètres géométriques, morphologiques et mécaniques. Simulation numérique afin d’ajuster les modèles (identification et détermination des paramètres) et de confronter qualitativement et quantitativement les résultats aux données réelles. Le but est de permettre l’appréhension des mécanismes d’usure (identification, lois de comportement, etc.), de les prévoir et enfin, pour n’importe quel explant, de diagnostiquer son usure. A plus long terme, ces travaux serviront de référence pour mettre au point de nouveaux éléments prothétiques de l’articulation coxo-fémorale. Références bibliographiques [1] J. Geringer, B. Boyer & F. Farizon, Understanding the dual mobility concept for total hip arthroplasty. Investigations on a multiscale analysis-highlighting the role of arthrofibrosis, Wear, 271, 2011, pp. 2379-2385 [2] Ahmad-Suleiman O., Modeling, Computer simulation and characterization by means of random fields and integral geometry of wear surfaces., Ph. D. thesis, ENS des Mines, SaintEtienne, In preparation. Journée thématique « Vivant », fédération CNRS CIMReV, 05/12/2011, Université Lyon 1, site Rockefeller. Analyse multi-échelle du comportement des biomatériaux in vivo et in vitro – Joint Laboratory CIS (ENSM-SE) / COT (CHU-SE) Bertrand Boyer, Jean Geringer, Rémi Philippot, Frédéric Farizon Jean-Charles Pinoli et Yann gavet (thèse O. Ahmad) La collaboration entre le Centre d’Orthopédie et Traumatologie du CHU de St Etienne et l’Ecole des Mines de Saint Etienne a débuté dans les années 80, grâce à la collaboration entre Pr. Gilles Bousquet (CHU), André Rambert (société SERF) et Pr. Jean Rieu (ENSM-SE). De nombreux travaux en ont découlé et se poursuivent aujourd’hui, sous la direction de Pr. Frédéric Farizon (CHU) et Pr. Bernard Forest, puis Dr. Jean Geringer (ENSM-SE). Le thème majeur était la Double Mobilité de Pr. Gilles Bousquet, concept unique de Prothèse Totale de Hanche (PTH), maintenant présent dans 40 % des PTH en France. 2 thèses ENSM-SE en découlent directement, la première étant celle du Dr. Bertrand BOYER, portant sur la compréhension du fonctionnement in vivo et l’optimisation, et la seconde celle d’Olah AHMAD, se focalisant sur la modélisation des phénomènes d’usure. La compréhension du fonctionnement de la Double Mobilité a débuté par l’analyse des explants, prothèses conservées lors de révision de PTH. De nombreuses techniques innovantes ont dû être développées ou adaptées, pour permettre la caractérisation multi-échelle des phénomènes d’usure interne et externe de l’insert en Ultra High Molecular Weight Polyethylene (UHMWPE). La corrélation entre les données cliniques et matérielles ont permis de dégager un scénario de fonctionnement, ainsi que des facteurs de risque de bon ou mauvais fonctionnement. Enfin, les travaux d’O. Ahmad sont en lien direct avec cette approche. L’objectif est de modéliser l’endommagement des inserts. Cette modélisation, géométrie intégrale par exemple, est affinée, en continu, avec les tests d’usure in vivo et la comparaison avec des explants. Cette dernière sera détaillée lors de la présentation du Pr. J-C. Pinoli. Ces travaux, qui donnent lieu à 10 publications (3 in press, 2 en cours de soumission, 2 en cours de rédaction, et 3 protocoles à finaliser en 2012) ont permis d’optimiser le concept et d’autoriser la mise sur le marché américain fin 2011 de l’implant Double Mobilité. Ces travaux sont présentés régulièrement à la Société Française d’Orthopédie et Traumatologie (SOFCOT), la société européenne d’Orthopédie (EFORT), l’American Association of Orthopedic Surgeons (AAOS), le congrès Wear of Materials ou International Conference on Mechanics of Biomaterials and Tissues (ICMBT). La collaboration ENSM-SE-CHU se diversifie depuis 2008 vers la compréhension d’autres phénomènes, comme le fretting-corrosion dans les implants orthopédiques, le développement de céramiques innovantes, l’analyse des explants de zircone (1 publication en cours), l’analyse des particules d’usure des implants et plus récemment le démembrement des causes d’échecs du couple métal-métal. L’association avec des industriels a permis de porter le projet Equipex, Ingénierie et Vieillissement du Tissu Vivant, avec l’acquisition pour juin 2012 d’un simulateur de marche 6 postes (12 postes possible) unique au monde par la modélisation du mouvement de la marche (ISO 14242-1 à la base). La maitrise d’outils tels le simulateur de marche, une machine de chocs, le simulateur de fretting corrosion, l’interféromètre optique et la cartographie tridimensionnelle par Coordinate Measuring Machine et le travail de 4 doctorants + 1 post doctorant ont permis d’assoir la renommée du « Joint Lab. » sur le plan international, avec des collaborations en cours avec Pennstate University (State College, MSE/CEST ; Pr Macdonald), Chicago Rush Medical Center (Prs J. Jacobs et Dr. M. Wimmer) et University of Leeds (Pr J. Fisher et Pr. Z. Jin). Sur le plan local, la collaboration avec le Centre Technique de l’Industrie Mécanique (CETIM), le Pôle des Technologies Médicales (PTM) et des industriels tels que SERF, DePuy, T.O permet d’organiser et présenter des événements comme Innovez dans les Implants Orthopédiques. Journée thématique « Vivant », fédération CNRS CIMReV, 05/12/2011, Université Lyon 1, site Rockefeller. Le Pôle des Technologies Médicales : partenaire de la valorisation de la recherche. F. Simon, PTM, Saint-Etienne Résumé : Présentation du Pôle des Technologies Médicales, qui sommes-nous ? Que faisons-nous ? Et à quoi sert-on ? Cette présentation sera argumentée par un exemple concret lié à une problématique rencontrée par un industriel. Cet exemple mettra en lumière les étapes et le cheminement de la rencontre entre l’industriel et les laboratoires qui permettront de résoudre la problématique de l’industriel en ajoutant un aspect innovant à ses produits. Journée thématique « Vivant », fédération CNRS CIMReV, 05/12/2011, Université Lyon 1, site Rockefeller. Une nouvelle théorie mathématique algébrique pour le traitement d’images en couleur. Application à la modélisation et à la caractérisation de l’apparence de la peau humaine. Hélène GOUINAUD, Yann GAVET, Johan DEBAYLE, Jean-Charles PINOLI (ENS des Mines de Saint-Etienne) Objet de l’exposé : Présentation de la problématique scientifique (mise en place d’une théorie mathématique pour le traitement d’images en couleur compatible avec les propriétés de la vision humaine). Application à la modélisation et à la caractérisation de l’apparence de la peau humaine. Contexte applicatif et fondamental : La caractérisation et la modélisation de l’apparence de la peau humaine présentent un fort intérêt applicatif en cosmétologie, dermatologie, … et constitue un véritable « challenge » d’un point de vue scientifique. Le traitement d’images en tons de gris s’est considérablement développé depuis une vingtaine d’année. Les mathématiques y jouent un rôle important et une nouvelle discipline est en émergence : l’imagerie mathématique (‘mathematical imaging’) [1, 2]. Il n’en est pas de même pour le traitement d’images en couleur. Une image en couleur est classiquement représentée en trois dimensions (e.g., RVB, Lab, Luv, …). Cependant, il n’existe à l’heure actuelle aucune théorie mathématique aboutie permettant de traiter les images en couleur de manière algébrique et la notion de différence entre deux couleurs reste un problème ouvert. Les images en couleur sont importantes dans de nombreux secteurs applicatifs. L’approche LIP (‘Logarithmic Image Processing’) [3] est une théorie mathématique qui fournit un ensemble spécifique d’opérations algébriques et fonctionnelles pour le traitement non-linéaire d’images à tons de gris. Cette théorie est compatible avec les lois physiques de formation d’images par transmittance et par réflectance, ainsi qu’avec plusieurs lois et caractérisitque visuelles. Les avantages théoriques du LIP ont été confirmés en pratique dans la plupart des domaines du traitement d’image à tons de gris : interpolation, rehaussement, reconstruction 3D, restauration, segmentation, compression, … Objectifs scientifiques de la thèse de doctorat d’Hélène Gouinaud (2009 – 2011) [4, 5] : L’objectif de la thèse est l’extension de la théorie LIP aux images en couleurs afin de disposer d’un cadre algébrique permettant de manipuler ces images (addition, soustraction, convolution), de les analyser (différentiation, intégration, …) et de les transformer (Fourier, ondelettes, …). Cette théorie nommée CoLIP devra être compatible avec les lois de la vision « couleur » humaine et s’appliquer dans des situations pratiques de modélisation et de caractérisation de l’apparence couleur de matériaux ou d’objets. Références bibliographiques [1] Pinoli J. C., Mathématiques pour le traitement et l’analyse des images à tons de gris. Sous presse dans Techniques de l’Ingénieur, 2011. [2] Pinoli J. C., Mathématiques pour le traitement et l’analyse des images binaires. A paraître dans Techniques de l’Ingénieur, 2012. [3] Jourlin M. & Pinoli J. C., Logarithmic Image Processing. AIEP, Vol. 115, pp. 129–196, Academic Press, 2001. [4] Gouinaud H., Gavet Y., Debayle J., Pinoli J. C., Color Correction in the Framework of Color Logarithmic Image Processing, In Proc. 7th IEEE Int. Symposium on Image and Signal Processing and Analysis (ISPA 2011), pp. 129-133, September 4-6, 2011, Dubrovnik, Croatia. [5] Gouinaud H., Color Logarithmic Image Processing, Ph. D. thesis, ENS des Mines, Saint-Etienne, In preparation. Journée thématique « Vivant », fédération CNRS CIMReV, 05/12/2011, Université Lyon 1, site Rockefeller. Projet ANR OPT-HIP : élaboration, caractérisations mécanique et tribologique et étude de biocompatibilité de composites alumine-zircone innovants pour têtes de prothèses totales de hanches. V. Fridrici1*, J. Chevalier2, L. Gremillard2, J. Geringer3, P. Jurdic4, P. Kapsa1, B. Forest2, J.L. Aurelle5, A. Bignon6, J. Zhao1, R. Daoud1, K. Deheuvels-Biotteau2, 6, L. Zych2, L. Martin2, J. Uribe3, K. Kim3, E. Decembre4 1 : Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systèmes, UMR CNRS ECL ENISE 5513 ; Ecole Centrale de Lyon – 36 avenue Guy de Collongue – 69134 ECULLY cedex 2 : Laboratoire MATEIS, UMR CNRS INSA Lyon UCBL Lyon 1 5510 ; INSA de Lyon – 20 avenue Albert Einstein – 69621 VILLEURBANNE cedex 3 : Laboratoire Claude Goux, UMR CNRS ENSMSE 5146, Ecole Nationale Supérieure des Mines de Saint-Etienne – 158 cours Fauriel – 42023 SAINT-ETIENNE cedex 2 4 : Institut de génomique fonctionnelle de Lyon UMR INSERM CNRS UCBL Lyon 1 ENS Lyon INRA HCL 5242 ; Ecole Normale Supérieure de Lyon – 46 allée d’Italie – 69364 LYON cedex 07 5 : SERF Dedienne Santé – 85 avenue des Bruyères – 69153 DECINES cedex 6 : MedicalGroup – 5 chemin du Catupolan – 69120 VAULX EN VELIN L’augmentation de l’espérance de vie et la recherche d’une meilleure qualité de vie humaine a pour conséquence une utilisation de plus en plus courante de systèmes prothétiques pour remplacer des systèmes vivants endommagés (suite à un accident, une maladie…). Pour ces prothèses artificielles, on recherche à optimiser leur comportement et leur durabilité dans un milieu biologique très souvent agressif. Au niveau des parties frottantes des prothèses de hanches, cela se traduit par un besoin de matériaux innovants aux propriétés optimisées en fonction du cahier des charges (biocompatibilité, faible frottement, non nocivité des débris d’usure, résistance aux chocs…). Dans ce contexte, les composites céramiques à base d’alumine et de zircone sont des matériaux de choix. Cet exposé présentera les travaux effectués dans ce domaine dans le cadre d’un projet ANR (à Journée thématique « Vivant », fédération CNRS CIMReV, 05/12/2011, Université Lyon 1, site Rockefeller. la suite d’un projet Région) par 4 laboratoires rattachés au CNRS et à des établissements de l’Université de Lyon et 2 PME Rhônalpines du milieu biomédical. En particulier, les phénomènes de renforcement de l’alumine par la zircone, de vieillissement de la zircone, les propriétés mécaniques (ténacité, résistance à la rupture) et tribologiques (frottement, usure, contact avec impact) de ces composites en lien avec leur élaboration et leur microstructure, ainsi que la biocompatibilité des poudres, ont été étudiés. Un effort particulier a été réalisé dans l’étude et la compréhension des phénomènes couplés : vieillissement – usure, vieillissement – résistance aux chocs… Journée thématique « Vivant », fédération CNRS CIMReV, 05/12/2011, Université Lyon 1, site Rockefeller. Peau Reconstruite en 3-D : système de reconstruction tissulaire et source d’inspiration de la stratégie anti-âge Morgan DOS SANTOS, Charlotte LEQUEUX, Céline AUXENFANS, Odile DAMOUR Laboratoires des Substituts Cutanés, Edouard Herriot Hospital, Place d’Arsonval, 69003 Lyon, France Le vieillissement est un phénomène physiologique lentement évolutif, inéluctable et irréversible. Il modifie les structures anatomiques et histologiques et altère le fonctionnement des organes et tissus. La peau n’est pas en reste et subit de profonds remaniements au cours du vieillissement tels qu’un amincissement de l’épiderme et du derme, une perte d’élasticité, un aplatissement de la jonction dermo-épidermique… Une meilleure connaissance des mécanismes impliqués dans ces différents phénomènes permettra de mettre en évidence de nouvelles cibles biologiques et des actifs cosmétiques de plus en plus efficaces et innovants.La directive cosmétique dans son 7ème amendement a conduit à l’interdiction des essais sur des animaux à des fins cosmétiques favorisant ainsi l’utilisation de méthodes alternatives. Depuis 1987, le Laboratoire des Substituts Cutanés a développé des modèles tridimensionnels de dermes équivalents, d’épidermes reconstruits et de peaux reconstruites (1). Au-delà de leurs applications cliniques pour le traitement des grands brûlés, ces modèles se sont révélés être pertinents pour démontrer l’efficacité et l’innocuité des principes actifs cosmétiques ou produits finis. Grâce à l’utilisation de cellules humaines issues de donneurs d’âge variable (jeune ou âgés) ou à leur culture pendant des temps courts ou prolongés, le laboratoire a développé des dermes et des peaux reconstruites dits « jeunes ou âgés ». En recherche fondamentale, ces modèles sont utilisés pour une meilleure compréhension des mécanismes biologiques impliquant différents acteurs moléculaires à la base du vieillissement cutané. Ces modèles permettent ainsi le développement d’actifs cosmétiques hautement ciblés visant à reverser les déficits observés. Journée thématique « Vivant », fédération CNRS CIMReV, 05/12/2011, Université Lyon 1, site Rockefeller. Etude des maladies génétiques d'élastogenèse imparfaite comme modèles du vieillissement Romain Debret et Pascal Sommer Dysfonctionnements de l’Homéostasie Tissulaire et Ingénierie Thérapeutique, CNRS FRE3310, Lyon. La perte d’élasticité tissulaire est une manifestation aisément remarquable du vieillissement. La dégénérescence des tissus élastiques, formés au cours du développement, a des conséquences néfastes sur l’hypertension artérielle, l’athérosclérose, les anévrismes, l’emphysème pulmonaire, les rides cutanées, les ligaments intervertébraux et la membrane maculaire de Bruch. Les dysfonctions des tissus élastiques sont dues à la dégradation et/ou la modification des fibres élastiques (calcification, lipidation, oxydation, glycation, ...), et sont considérés comme des facteurs amplifiant les processus inflammatoires et délétères liés à l’âge. Ainsi, les tissus élastiques peuvent être considérés comme des bio-marqueurs pertinent du vieillissement. Les challenges actuels de la recherche sont de protéger, réparer ou ré-induire ces tissus élastiques à partir de modèles adéquates pour la compréhension des mécanismes sous-jacents. A ce titre, les maladies génétiques d’élastogenèse imparfaite (principalement le syndrome Wiliams-Beuren, la cutis laxa et le pseudoxanthome élastique) reproduisent exagérément de nombreux symptômes liés au vieillissement. La modélisation in vitro et les études mécanistiques sur ces maladies génétiques permettent de faire ressortir de façon plus évidente certains mécanismes associés au vieillissement chronologique. Une étude réalisée sur un patient cutis laxa sera présentée pour illustrer cette stratégie.