Experimental characterization and viscoelastic finite element modeling of a porcine thoracic spinal cord submitted to axial compression

Résumé

La compression axiale est un des modes de chargement supporté quotidiennement par la moelle épinière. Appliquée dans la direction transverse, la compression résulte fréquemment en des lésions de la moelle épinière. Afin de faire progresser notre compréhension du comportement physiologique et traumatique de la moelle épinière en compression, il est crucial de caractériser le comportement mécanique des composants de la moelle épinière. De récentes études ont montré l'importance d'identifier séparément le comportement de la matière blanche et de la matière grise composant la moelle épinière. D’autres études ont montré l’importance de déterminer la réponse viscoélastique en relaxation de contraintes de ces tissus et d’améliorer le comportement des modèles par éléments finis de la moelle épinière via l’intégration de propriétés viscoélastiques. À ce jour, ces travaux n’ont pas encore été complétés. L'objectif principal de cette étude est donc de caractériser le comportement mécanique des matières blanche et grise de la moelle épinière en compression axiale non confinée incluant une phase de relaxation de contraintes. Deux segments de moelle épinière ont été prélevés dans la région thoracique de deux porcs immédiatement après leur sacrifice. Les segments de moelle épinière ont été coupés en échantillons de 2,25 mm d’épaisseur. Ces échantillons ont individuellement été déposés dans une boîte de Pétri, enveloppés dans une gaze vaporisée avec une solution du tampon phosphate salin pour éviter leur déshydratation puis testés en compression axiale non confinée sur une machine de test. Ce protocole a été complété en moins de six heures afin de réduire l'influence du temps post-mortem sur les propriétés mécaniques des tissus de la moelle épinière. Tous les échantillons ont été comprimés jusqu'à 40% de déformation, à un taux de déformation de 0,01 s-1. La compression quasi-statique a ensuite été maintenue pendant 1000 secondes afin de laisser la moelle épinière relaxer. Un modèle par éléments finis (MEF) d’un échantillon typique a été créé puis utilisé pour obtenir, via une méthode inverse, les propriétés matérielles hyper-viscoélastique de la matière grise, tout en utilisant les propriétés de la matière blanche issue de la littérature. Un modèle hyperélastique d’Ogden du premier ordre accompagné d’une série de prony à 3 termes a permis de reproduire avec précision la réponse en compression de la moelle épinière et son comportement viscoélastique en relaxation de contraintes. Il a été constaté que la matière grise est environ 3,2 fois plus rigide que la matière blanche. Pour le temps de relaxation, il a été déterminé que le tissu de la moelle épinière se relaxe complètement après environ 931 secondes suite à une compression axiale. Ces résultats soulignent l'importance de distinguer le type de tissu lors de l'utilisation de modèles numériques afin d’améliorer notre compréhension de la biomécanique de la moelle épinière.

Date	22 avr. 2021
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Éric Wagnac (Directeur(-trice)) & Yvan Petit (Codirecteur(-trice))