Multiscale and multiaxial mechanics of multi-layered soft composites : application to the human annulus fibrosus. Mécanique multi-échelle et multiaxiale des composites souples multicouches : application à l'annulus fibrosus humain

Archive ouverte : Thèse

Tamoud, Abderrahman

Edité par HAL CCSD

The damage in annulus fibrosus soft tissues is a complex multiscale phenomenon due to a complex structural arrangement of collagen network at different scales of hierarchical organization. A fully three-dimensional constitutive representation that considers the regional variation of the structural complexity to estimate annulus multiaxial mechanics till failure has not yet been developed. In the present PhD dissertation, a model, formulated within the framework of nonlinear continuum mechanics, is developed to predict deformation-induced damage and failure of annulus under multiaxial loading histories considering as time-dependent physical process both chemical-induced volumetric effects and damage accumulation.In a first part, a microstructure-based model is proposed to connect structural features, intrinsic mechanics and electro-chemical properties of annulus soft tissues. The multi-layered lamellar/inter-lamellar annulus model is constructed by considering the effective interactions between adjacent layers and the chemical-induced volumetric strain. The model/experiments comparison demonstrates that the evaluation of the overall time-dependent response involves considering stress, volumetric change and auxetic feature simultaneously in relation to structural features.In a second part, the model is enriched by considering the hierarchical structure of the soft tissue from the nano-sized collagen fibrils to the micro-sized oriented collagen fibers. The stochastic process of progressive damage events operating at different scales of the solid phase is introduced for the extracellular matrix and the network of nano-sized fibrils/micro-sized fibers. The directional effects on annulus mechanics and failure are highlighted in relation to external loading mode, structure features, damage events and hydration.In a third part, the model is further developed by considering the regional variation of the complex structural organization of collagen network at different scales to predict the regional anisotropic multiaxial damage of the intervertebral disc. After model identification using single lamellae extracted from different disc regions, the model predictability is verified for various multiaxial elementary loading modes representative of the spine movement. The stretching along the circumferential and radial directions till failure serves to check the predictive capacities of the annulus model for the different regions. Model results under simple shear, biaxial stretching and plane-strain compression are further presented and discussed.In a fourth part, a full human disc model is constructed using the regional annulus model to examine the heterogeneous mechanics in the disc core. Damage fields in the disc are analyzed under axial compression, axial twist and combined loadings to assess the areas where the risk of failure is the highest. . L’endommagement dans les tissus souples de l'annulus fibrosus est un phénomène multi-échelle complexe dû à un arrangement structural complexe du réseau de collagène à différentes échelles d'organisation hiérarchique. Une représentation constitutive entièrement tridimensionnelle, considérant la variation régionale de la complexité structurale, n'a pas encore été développée, pour estimer la mécanique multiaxiale de l'annulus jusqu'à la rupture. Dans la présente thèse de doctorat, un modèle, formulé dans le cadre de la mécanique non linéaire des milieux continues, est développé pour prédire l’endommagement et la rupture de l'annulus induits par la déformation sous des histoires de chargements multiaxiaux en considérant comme processus physique dépendant du temps à la fois les effets volumétriques induits chimiquement et l'accumulation de l’endommagement.Dans une première partie, un modèle basé sur la microstructure est proposé pour relier les caractéristiques structurales aux propriétés mécaniques intrinsèques et électrochimiques des tissus souples de l'annulus. Le modèle lamellaire/interlamellaire multicouche est construit en considérant les interactions effectives entre les couches adjacentes et la contrainte volumétrique induite chimiquement. La comparaison modèle/expériences démontre que l'évaluation de la réponse globale dépendante du temps implique de considérer simultanément la contrainte, le changement volumétrique et la caractéristique auxétique en relation avec les caractéristiques structurales.Dans une deuxième partie, le modèle est enrichi en considérant la structure hiérarchique des tissus souples depuis les fibrilles de collagène de taille nanométrique jusqu'aux fibres de collagène orientées de taille microscopique. Le processus stochastique d'événements progressifs d’endommagement, opérant à différentes échelles de la phase solide, est introduit pour la matrice extracellulaire, les fibres microscopiques et le réseau de fibrilles nanométriques. Les effets directionnels sur la réponse mécanique et la rupture de l’annulus sont mis en évidence en relation avec le mode de chargement externe, les caractéristiques de la structure, les événements d'endommagement et l'hydratation.Dans une troisième partie, le modèle est développé en considérant la variation régionale de l'organisation structurale complexe du réseau de collagène à différentes échelles pour prédire l’endommagement multiaxial anisotrope régional du disque intervertébral. Après identification du modèle à l'aide de lamelles simples extraites de différentes régions du disque, le caractère prédictif du modèle est vérifié pour divers modes de chargement élémentaires multiaxiaux représentatifs du mouvement de la colonne vertébrale. Les étirements dans les directions circonférentielle et radiale jusqu'à la rupture ont servi à vérifier les capacités prédictives du modèle pour les différentes régions. Les résultats du modèle sous cisaillement simple, étirement biaxial et compression en déformation plane sont également présentés et discutés.Dans une quatrième partie, un modèle de disque humain complet est construit afin d’examiner la mécanique hétérogène dans le cœur du disque. Les champs d'endommagement au sein du disque sont analysés, sous compression axiale, torsion axiale et chargements combinés, afin d’évaluer les zones où le risque de rupture est le plus élevé.

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