Par Caio de Oliveira Cafiero.
L'articulation temporo-mandibulaire (ATM) est l’articulation qui relie le crâne à la mandibule. Parmi des différents constituants, elle comporte un disque fibrocartilagineux qui amortit les efforts appliqués à la structure (Wu et al. 2017). Entre 5 et 15% % de la population mondiale présente des signes de dysfonctionnement de cette articulation (Labus et al., 2021). Le disque de l’ATM contient du fluide physiologique, qui peut se déplacer, entrer et sortir de la structure, affectant ainsi la résistance du matériau à l'application de forces externes. Très peu de données existent dans la littérature sur les paramètres biphasiques (qui prennent en compte la présence des phases solide et liquide dans le matériau) de ce disque. Le présent travail vise à aborder la caractérisation de ces paramètres, en comparant les données expérimentales issues de tests réalisés sur des disques d’ATM avec les résultats de simulations numériques conduites à partir de valeurs de paramètres matériau extraites de la littérature puis à proposer, si besoin, un ajustement de ces paramètres.
Dans Tappert et al. (2020) des tests de compression macroscopique à l'aide d'une sphère ont été effectués sur des disques d’ATM de porc. Ces expériences ont fourni la relation entre la force de réaction du matériau et le déplacement de la sphère lors de la compression du tissu. Dans la présente étude, un modèle numérique axisymétrique en éléments finis a été développé, reproduisant le test de compression sphérique expérimentalement réalisé par Tappert et al. (2020). Pour alimenter le modèle numérique, les valeurs des paramètres mécaniques biphasiques du disque de l’ATM ont été choisis dans la littérature. Un premier modèle (Modèle 1) a été défini, basé sur le comportement biphasique hyperélastique proposée par Ortún-Terrazas et al. (2020). En raison de l'absence d'un autre modèle biphasique complet pour définir le disque, il a été choisi d'associer les paramètres de définition de phase solide de Tappert et al. (2020) aux données de perméabilité de Wu et al. (2017) représentant le comportement de la phase liquide, pour définir un second modèle (Modèle 2). Des simulations de compression ont été réalisées et un écart a été observé entre les données de force-déplacement expérimentales et simulées. Par dichotomie, les paramètres proposés dans la littérature ont été modifiés afin de rapprocher la simulation de la courbe expérimentale, générant les nouveaux paramètres de définition du Modèle 3.
Grâce à cette étude, il a été possible de reproduire numériquement la réponse mécanique d’un disque d’ATM soumis à une compression sphérique en utilisant un comportement biphasique. Ceci a notamment permis l’obtention de l'hystérésis observé expérimentalement. Des modèles numériques complets du système manducateur sont développés dans notre équipe, dans le but d'aider au diagnostic et au traitement des dysfonctions de l'ATM. La réponse de tels modèles est fortement conditionnée par la modélisation appropriée du disque et l'étude de ce matériel fait partie des objectifs actuels de l'équipe.
Figure : Résultats des simulations comparés à la courbe force/déplacement expérimentale.
References
Labus, K. M., Kuiper, J. P., Rawlinson, J., & Puttlitz, C. M. (2021). Mechanical characterization and viscoelastic model of the ovine temporomandibular joint Disc in indentation, uniaxial tension, and biaxial tension. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 116, 104300. https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2020.104300
Ortún‐Terrazas, J., Cegoñino, J., & Pérez del Palomar, A. (2020). Computational characterization of the porous‐fibrous behavior of the soft tissues in the temporomandibular joint. Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials, 108(5), 2204–2217. https://doi.org/10.1002/jbm.b.34558
Tappert, L. K., Baldit, A., Guillaume, C., Velard, F., & Lipinski, P. (2020). Identification of macro-heterogenous mechanical behaviour of temporomandibular joint disc. Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering, 23(sup1), S291–S293. https://doi.org/10.1080/10255842.2020.1816295
Wu, Y., Cisewski, S. E., Wei, F., She, X., Gonzales, T. S., Iwasaki, L. R., Nickel, J. C., & Yao, H. (2017). Fluid pressurization and tractional forces during TMJ disc loading: A biphasic finite element analysis. Orthodontics & Craniofacial Research, 20(S1), 151–156. https://doi.org/10.1111/ocr.12147
Publication
De Oliveira Cafiero, C., Baldit, A. & Bonnet, A.-S. (2024). A first poro-mechanical characterization of temporomandibular joint disc tissue undergoing spherical compression. 49ème Congrès de la Societé de Biomécanique, Compiègne, France, 29 au 31 octobre 2024. Multidisciplinary Biomechanics Journal (MBJ), à paraître.
L’auteur
Caio de Oliveira Cafiero, Université de Lorraine, LEM3 - Laboratoire d’Étude des microstructures et de Mécanique des Matériaux
Caio est ingénieur en mécanique diplômé de l'Université Fédérale de Rio de Janeiro et de l'École Nationale d'Ingénieurs de Metz. Il poursuit actuellement un doctorat en biomécanique et mécanique des matériaux à l'Université de Lorraine (France). Ses recherches actuelles portent sur l'étude des propriétés mécaniques des tissus biologiques mous, avec un accent particulier sur le disque de l'articulation temporo-mandibulaire.
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