Trabécule - Trabecula
| Trabécule | |
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 L'alternance du motif trabéculaire dans l'os de la cuisse reflète le stress mécanique
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| Des détails | |
| Partie de | OS |
| Identifiants | |
| FMA | 85273 |
| Terminologie anatomique | |
Une trabécule (pluriel trabécules , du latin pour "petit faisceau") est un petit élément tissulaire , souvent microscopique, sous la forme d'un petit faisceau , d'une entretoise ou d'une tige qui soutient ou ancre un cadre de pièces dans un corps ou un organe. Une travée a généralement une fonction mécanique et est généralement composée de tissu collagène dense (comme la travée de la rate ). Ils peuvent être composés d'autres matériaux tels que les muscles et les os. Dans le cœur , les muscles forment des trabécules carénées et des trabécules septo - marginales . L'os spongieux est formé à partir de groupements de tissu osseux trabéculé.
En coupe transversale, les trabécules d'un os spongieux peuvent ressembler à des septa , mais en trois dimensions, elles sont topologiquement distinctes, les trabécules étant grossièrement en forme de tige ou de pilier et les septa en forme de feuille.
Lors de la traversée d'espaces remplis de liquide, les trabécules peuvent avoir pour fonction de résister à la tension (comme dans le pénis , voir par exemple les trabécules des corps caverneux et les trabécules du corps spongieux ) ou de fournir un filtre cellulaire (comme dans le réseau trabéculaire de l'œil ).
Des perforations multiples dans un septum peuvent le réduire à une collection de trabécules, comme cela arrive aux parois de certaines des alvéoles pulmonaires dans l' emphysème .
Structure
L'os trabéculaire, également appelé os spongieux , est un os poreux composé de tissu osseux trabéculaire. Il peut être trouvé aux extrémités des os longs comme le fémur, où l'os n'est en fait pas solide mais est plein de trous reliés par de fines tiges et des plaques de tissu osseux. La moelle osseuse rouge, où sont fabriquées toutes les cellules sanguines, remplit l'espace entre les pores trabéculaires. Même si l'os trabéculaire contient beaucoup de trous, sa complexité spatiale contribue à la force maximale avec une masse minimale. Il est à noter que la forme et la structure de l'os trabéculaire sont organisées pour résister de manière optimale aux charges imposées par les activités fonctionnelles, comme sauter, courir et s'accroupir. Et selon la célèbre loi de Wolff , proposée en 1892, la forme externe et l'architecture interne de l'os sont déterminées par les contraintes externes agissant sur lui. La structure interne de l'os trabéculaire subit d'abord des modifications adaptatives le long de la direction de la contrainte, puis la forme externe de l'os cortical subit des modifications secondaires. Enfin, la structure osseuse devient plus épaisse et plus dense pour résister à la charge externe.
En raison du nombre croissant d'arthroplasties totales et de son impact sur le remodelage osseux, la compréhension du processus adaptatif et lié au stress de l'os trabéculaire est devenue une préoccupation centrale pour les physiologistes des os. Afin de comprendre le rôle de l'os trabéculaire dans la structure osseuse liée à l'âge et la conception des systèmes osseux-implants, il est important d'étudier les propriétés mécaniques de l'os trabéculaire en fonction de variables, telles que le site anatomique, la densité et l'âge. Pour ce faire, il est nécessaire d'étudier les facteurs mécaniques, notamment le module, la résistance uniaxiale et les propriétés de fatigue.
Typiquement, le pourcentage de porosité de l'os trabéculaire est compris entre 75 et 95 % et la densité est comprise entre 0,2 et 0,8 g/cm 3 . On constate que la porosité peut réduire la résistance de l'os, mais aussi réduire son poids. La porosité et la manière dont la porosité est structurée affectent la résistance du matériau. Ainsi, la microstructure de l'os trabéculaire est typiquement orientée et le « grain » de la porosité est aligné dans une direction dans laquelle la rigidité et la résistance mécaniques sont les plus élevées. En raison de la directivité microstructurale, les propriétés mécaniques de l'os trabéculaire sont hautement anisotropes. La plage du module de Young pour l'os trabéculaire est de 800 à 14 000 MPa et la force de rupture est de 1 à 100 MPa.
Comme mentionné ci-dessus, les propriétés mécaniques de l'os trabéculaire sont très sensibles à la densité apparente. La relation entre le module de l'os trabéculaire et sa densité apparente a été démontrée par Carter et Hayes en 1976. L'équation résultante indique :
où représente le module de l'os trabéculaire dans n'importe quelle direction de charge, représente la densité apparente et et sont des constantes dépendant de l'architecture du tissu.
De plus, à partir de la microscopie électronique à balayage, il a été constaté que la variation de l'architecture trabéculaire avec différents sites anatomiques conduit à des modules différents. Pour comprendre les relations structure-anisotropie et propriétés des matériaux, il faut corréler les propriétés mécaniques mesurées des spécimens trabéculaires anisotropes avec les descriptions stéréologiques de leur architecture.
La résistance à la compression de l'os trabéculaire est également très importante car on pense que la défaillance interne de l'os trabéculaire résulte d'une contrainte de compression. Sur les courbes contrainte-déformation pour l'os trabéculaire et l'os cortical avec une densité apparente différente, il y a trois étapes dans la courbe contrainte-déformation. La première est la région linéaire où les trabécules individuelles se plient et se compressent à mesure que le tissu en vrac est comprimé. La deuxième étape est après avoir cédé, les liaisons trabéculaires commencent à se fracturer et la troisième étape est la phase de raidissement. Typiquement, les zones trabéculaires de densité inférieure ont un stade plus déformé avant le raidissement que les spécimens de densité plus élevée.
En résumé, l'os trabéculaire est très conforme et hétérogène. Le caractère hétérogène rend difficile la synthèse des propriétés mécaniques générales de l'os trabéculaire. Une porosité élevée rend l'os trabéculaire conforme et de grandes variations d'architecture conduisent à une grande hétérogénéité. Le module et la résistance varient inversement avec la porosité et dépendent fortement de la structure de porosité. De plus, les effets du vieillissement et des petites fissures des os trabéculaires sur leurs propriétés mécaniques seront davantage analysés dans les ébauches finales.
Signification clinique
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Des études ont montré qu'une fois qu'un être humain atteint l'âge adulte, la densité osseuse diminue régulièrement avec l'âge, ce à quoi la perte de masse osseuse trabéculaire contribue en partie. La perte de masse osseuse est définie par l'Organisation mondiale de la santé comme une ostéopénie si la densité minérale osseuse (DMO) est inférieure d'un écart-type à la DMO moyenne chez les jeunes adultes, et est définie comme une ostéoporose si elle est inférieure de plus de 2,5 écarts-types à la moyenne. Une faible densité osseuse augmente considérablement le risque de fracture de stress , qui peut survenir sans avertissement chez les personnes à risque. Les fractures à faible impact résultant de l'ostéoporose surviennent le plus souvent dans le fémur supérieur , qui se compose de 25 à 50 % d'os trabéculaire selon la région, dans les vertèbres qui sont à environ 90 % trabéculaires, ou dans le poignet .
Lorsque le volume de l'os trabéculaire diminue, sa structure originale en plaques et en bâtonnets est perturbée ; les structures en forme de plaque sont converties en structures en forme de tige, et les structures en forme de tige préexistantes s'amincissent jusqu'à ce qu'elles se déconnectent et se résorbent dans le corps. Les modifications de l'os trabéculaire sont généralement spécifiques au sexe, les différences les plus notables dans la masse osseuse et la microstructure trabéculaire se produisant dans la tranche d'âge de la ménopause. La dégradation des trabécules au fil du temps entraîne une diminution de la résistance osseuse qui est disproportionnée par rapport au volume de la perte osseuse trabéculaire, laissant l'os restant vulnérable à la fracture.
Avec l'ostéoporose, il y a souvent aussi des symptômes d' arthrose , qui survient lorsque le cartilage des articulations est soumis à un stress excessif et se dégrade avec le temps, provoquant raideur, douleur et perte de mouvement. Avec l'arthrose, l'os sous-jacent joue un rôle important dans la dégradation du cartilage ; ainsi, toute dégradation trabéculaire peut affecter de manière significative la répartition des contraintes et nuire au cartilage en question.
En raison de son effet important sur la résistance osseuse globale, il existe actuellement de fortes spéculations selon lesquelles l'analyse des schémas de dégradation des trabécules pourrait être utile dans un avenir proche pour suivre la progression de l'ostéoporose.
Des oiseaux
La conception creuse des os d'oiseau est multifonctionnelle en établissant une résistance spécifique élevée et en complétant les voies respiratoires ouvertes pour s'adapter à la pneumatique squelettique commune à de nombreux oiseaux. La force spécifique et la résistance au flambage sont optimisées grâce à leur conception osseuse qui combine une coque mince et dure qui enveloppe un noyau spongieux de trabécules. L' allométrie de leurs travées permet au squelette de supporter des charges sans augmenter significativement la masse osseuse. Le Red-Tailed Hawk optimise son poids avec un motif répétitif d'entretoises en forme de V qui confèrent aux os les caractéristiques de légèreté et de rigidité nécessaires. Le réseau interne de trabécules déplace la masse loin de l' axe neutre , ce qui augmente finalement la résistance au flambement .
Tout comme chez l'homme, la répartition des trabécules chez les espèces d'oiseaux est inégale selon les conditions de charge. L'oiseau avec la plus forte densité de trabécules est le kiwi , un oiseau incapable de voler. Il existe également une répartition inégale des trabécules au sein d'espèces similaires telles que le pic épeiche ou le pic à tête grise . Après examen d'une tomodensitométrie du front, du temporo-mandibule et de l'occiput du pic, il a été déterminé qu'il y avait significativement plus de trabécules dans le front et l'occiput. Outre la différence de distribution, le rapport d'aspect des entretoises individuelles était plus élevé chez les pics que chez d'autres oiseaux de taille similaire tels que la huppe fasciée ou l' alouette . Les trabécules des pics ressemblent davantage à des plaques tandis que le faucon et l'alouette ont des structures en forme de bâtonnets interconnectées à travers leurs os. La diminution de la pression exercée sur le cerveau du pic a été attribuée à la plus grande quantité d'entretoises en forme de plaques plus épaisses emballées plus étroitement que le faucon, la huppe ou l'alouette. A l'inverse, les structures plus minces en forme de tige conduiraient à une plus grande déformation. Un test mécanique destructif avec 12 échantillons montre que la conception des trabécules du pic a une résistance ultime moyenne de 6,38 MPa, contre 0,55 MPa pour l'alouette.
Outre le crâne, le bec des pics a de minuscules entretoises soutenant la coquille de leur bec, mais dans une moindre mesure par rapport à leur crâne. En raison de moins de trabécules dans le bec, il a une rigidité plus élevée de 1,0 GPa par rapport au crâne, 0,31 GPa. Alors que le bec absorbe une partie de l'impact du picage, la majeure partie de l'impact est transférée au crâne où davantage de trabécules sont activement disponibles pour absorber les chocs. La résistance ultime du bec du pic et de celle de l'alouette est similaire, ce qui permet d'en déduire que le bec a un rôle moindre dans l'absorption des chocs. Mais un avantage mesuré du bec du pic est la légère surocclusion (le bec supérieur est 1,6 mm plus long que le bec inférieur) qui provoque une distribution bimodale de la force due au fait que le bec supérieur entre en contact avec la surface quelques instants avant la moitié inférieure du bec. Cette synchronisation décalée de l'impact a induit une tension plus faible sur les travées du front, de l'occiput et du bec, que si le bec supérieur et inférieur avaient des longueurs égales.
Recherche
Technologie de casque
Les traumatismes crâniens sont une cause importante de blessures et de décès. Les scientifiques ont été inspirés par les pics pour faire progresser la technologie des casques après avoir découvert leur capacité à décélérer à 1 000 fois la force de gravité en continu pour une moyenne de 15 coups de bec. On estime que le pic tambourine son bec environ 12 000 fois par jour. On suppose que les pics ne subissent aucun dommage cérébral à ces forces qui dépassent immensément la capacité humaine. Une entreprise appelée Riddell , un fabricant de casques pour l' armée américaine et le football américain , développe des casques pour atténuer le stress sur le devant du cerveau dans un design similaire à celui de certains oiseaux.
Boîte noire
Des améliorations à la résistance aux chocs des boîtes noires sont conçues sur la base d'une tête de pic. Ils se composent de couches dures d' acier et d' aluminium pour imiter leur bec et leur crâne, d'un composant élastomère pour disperser uniformément les vibrations du crâne comme l' os hyoïde , et d'une structure poreuse faite de microsphères de verre pour amortir les vibrations comme l'os trabéculaire. Cette structure a survécu à un test jusqu'à 60 000 Gs.
Matériau métallique trabéculaire
Créé par Zimmer Biomet , le matériau Trabecular Metal est utilisé en clinique depuis 19 ans pour des applications orthopédiques telles que les implantations de la hanche, du genou ou de l'épaule ainsi que pour le comblement des vides osseux, les tiges d'ostéonécrose et les implants dentaires. C'est une mousse métallique à cellules ouvertes avec jusqu'à 80% de porosité , chaque taille de pore est en moyenne de 440 micromètres. Il a une faible rigidité et un coefficient de friction élevé de 0,98 afin que les implants restent sécurisés sans glisser. Il est fait de tantale pur car il est chimiquement inerte , résistant à la corrosion et biocompatible. Cette structure trabéculaire a un module de compression élevé et une résistance à la fatigue élevée pour résister aux contraintes physiologiques normales sur de longues périodes de temps.
Trabecula dans d'autres organismes
Plus l'animal est gros, plus la charge que ses os doivent supporter est élevée. L'os trabéculaire a déjà été connu pour augmenter la rigidité en augmentant la quantité d'os par unité de volume ou en modifiant la géométrie et l'agencement des trabécules individuelles à mesure que la taille du corps et la charge osseuse augmentent. L'os trabéculaire s'écaille allométriquement , réorganisant la structure interne des os pour augmenter la capacité du squelette à supporter les charges subies par les trabécules. De plus, la mise à l'échelle de la géométrie trabéculaire peut potentiellement modérer la contrainte trabéculaire. La charge agit comme un stimulus pour le trabéculaire, modifiant sa géométrie afin de soutenir ou d'atténuer les charges de déformation. En utilisant la modélisation par éléments finis, une étude a testé quatre espèces différentes sous un stress apparent égal (σapp) pour montrer que la mise à l'échelle trabéculaire chez les animaux modifie la souche dans le trabéculaire. Il a été observé que la souche au sein des trabécules de chaque espèce variait avec la géométrie des trabécules. A partir d'une échelle de dizaines de micromètres, ce qui correspond approximativement à la taille des ostéocytes , la figure ci-dessous montre que les trabécules plus épaisses présentaient moins de contrainte. Les distributions de fréquence relative de la contrainte d'élément subie par chaque espèce montrent un module élastique plus élevé des trabécules à mesure que la taille de l'espèce augmente.
De plus, les trabécules des animaux plus gros sont plus épaisses, plus éloignées et moins densément connectées que celles des animaux plus petits. Intra-trabéculaire osteon peut généralement être trouvée dans trabécules épaisse des animaux plus grands, ainsi que plus mince des trabécules petits animaux tels que le guépard et les lémuriens . Les ostéons jouent un rôle dans la diffusion des nutriments et des déchets dans et hors des ostéocytes en régulant la distance entre les ostéocytes et la surface osseuse à environ 230 m.
En raison d'une réduction accrue de la saturation en oxygène du sang, les animaux ayant des exigences métaboliques élevées ont tendance à avoir une épaisseur trabéculaire plus faible (Tb.Th) car ils nécessitent une perfusion vasculaire accrue des trabécules. La vascularisation par tunnellisation des ostéons modifie la géométrie trabéculaire de solide à tubulaire, augmentant la rigidité de flexion pour les trabécules individuelles et soutenant l'apport sanguin aux ostéocytes qui sont enfoncés profondément dans le tissu.
La fraction volumique osseuse (BV/TV) s'est avérée relativement constante pour la variété de tailles d'animaux testés. Les animaux plus gros n'ont pas montré une masse significativement plus grande par unité de volume d'os trabéculaire. Cela peut être dû à une adaptation qui réduit le coût physiologique de la production, de l'entretien et du déplacement des tissus. Cependant, BV/TV a montré une desquamation positive significative dans les condyles fémoraux aviaires . Les oiseaux de plus grande taille présentent des habitudes de vol réduites en raison de l' allométrie BV/TV aviaire . Le kiwi incapable de voler, pesant seulement 1 à 2 kg, avait le plus grand BV/TV des oiseaux testés dans l'étude. Cela montre que la géométrie de l'os trabéculaire est liée aux « conditions mécaniques prédominantes », de sorte que les différences de géométrie trabéculaire dans la tête fémorale et le condyle pourraient potentiellement présenter les différents environnements de chargement des articulations coxofémorale et fémoro - tibiale .
La capacité du pic à résister aux impacts de tête répétitifs est corrélée à ses structures composites micro/nanohiérarchiques uniques . Microstructure et nanostructure du pic de » crâne se compose d'une répartition inégale de l' os spongieux , la forme d' organisation de trabécules individuelle. Cela affecte les propriétés mécaniques du pic , permettant à l' os crânien de résister à une résistance ultime (σu) élevée. Comparé à l' os crânien de l' alouette , l' os crânien du pic est plus dense et moins spongieux, ayant une structure plus semblable à une plaque qu'une structure plus semblable à une tige que l'on observe chez les alouettes . De plus, l' os crânien du pic a une plus grande épaisseur et une plus grande quantité de trabécules individuelles. Par rapport aux trabécules de l' alouette , la trabéculaire du pic est plus rapprochée et plus en forme de plaque. [19] Ces propriétés se traduisent par une résistance ultime plus élevée dans l' os crânien du pic , que de l' alouette .
Histoire
Forme diminutive du latin trabs , qui signifie poutre ou barre. Au 19ème siècle, le néologisme trabeculum (avec un pluriel supposé de trabecula ) est devenu populaire, mais est moins étymologiquement correct. Trabeculum persiste dans certains pays comme synonyme du réseau trabéculaire de l' œil , mais cela peut être considéré comme un mauvais usage pour des raisons à la fois étymologiques et précises.
Autres utilisations
Pour la composante développement du crâne, voir cartilage trabéculaire .