Offre de thèse
Modélisation des phénomènes électromécaniques au sein de biomatériaux et de structures osseuses siège de phénomènes de remodelage
Date limite de candidature
12-07-2025
Date de début de contrat
01-10-2025
Directeur de thèse
GANGHOFFER Jean-françois
Encadrement
Des réunions de suivi régulières seront organisées avec le doctorant, à qui il sera demandé de faire des présentations mensuelles de l'avancement de son travail. Les cours choisis par le doctorant dans le cadre de la formation doctorale seront discutés avec ses deux Directeurs (co-encadrants) de thèse.
Type de contrat
école doctorale
équipe
DEPARTEMENT 1 : Mécanique des Matériaux, des Structures et du Vivant (MMSV)contexte
L'os présente une structure hiérarchique (et il est le siège de phénomènes de remodelage de l'échelle cellulaire à l'échelle tissulaire, se traduisant par la formation d'os nouveau par apposition d'hydroxyapatite. L'os comporte des microfissures qui génèrent des contraintes élevées ainsi que des gradients de déformation intenses au voisinage du front de fissure. Le remodelage est un phénomène permanent qui permet de réguler les contraintes par résorption de l'os micro-fissuré suivi d'apposition d'os nouveau. S'il est bien connu que l'os se remodèle sous l'action de stimuli mécanique, l'effet des stimuli électriques a été moins quantifié dans les travaux de la littérature. L'action de stimuli de nature mécanique et électrique aux différentes échelles, l'amplification des champs au voisinage des microfissures, l'identification des propriétés piézoélectriques et flexoélectriques des biomatériaux testés, le couplage entre les champs mécaniques et électriques avec le remodelage, la mise en place d'un protocole de mesure sur matériaux modèles (biomatériaux) afin de valider les modèles, constituent autant de verrous scientifiques qui seront abordés dans la thèse.spécialité
Mécanique des Matériauxlaboratoire
LEM3 - Laboratoire d Etude des Microstructures et de Mécanique des Matériaux
Mots clés
structures osseuses, remodelage, biomatériaux, modélisation, simulation numérique, banc d'essais
Détail de l'offre
Contexte : l'os présente une structure hiérarchique et il est le siège de phénomènes de remodelage de l'échelle cellulaire à l'échelle tissulaire, se traduisant par la formation d'os nouveau par apposition d'hydroxyapatite.
L'os comporte des microfissures qui génèrent des contraintes élevées ainsi que des gradients de déformation intenses au voisinage du front de fissure. Le remodelage est un phénomène permanent qui permet de réguler les contraintes par résorption de l'os micro-fissuré suivi d'apposition d'os nouveau. S'il est bien connu que l'os se remodèle sous l'action de stimuli mécanique, l'effet des stimuli électriques a été moins quantifié dans les travaux de la littérature. L'action de stimuli de nature mécanique et électrique aux différentes échelles, l'amplification des champs au voisinage des microfissures, l'identification des propriétés piézoélectriques et flexoélectriques des biomatériaux testés, le couplage entre les champs mécaniques et électriques avec le remodelage, la mise en place d'un protocole de mesure sur matériaux modèles (biomatériaux) afin de valider les modèles, constituent autant de verrous scientifiques qui seront abordés dans la thèse.
Travail de thèse : Le sujet de thèse a essentiellement pour objectif le développement de modèles théoriques et numériques dans un contexte multiphysique et multiéchelles afin de pouvoir mener des études de sensibilité. Les études de sensibilité numérique auront pour objectif de dégager la gamme de stimuli propres à stimuler la fermeture de fissures (cicatrisation) et d'apposer de l'os nouveau de façon efficace. Les propriétés piézoélectriques et flexoélectriques de biomatériaux mimant l'os qui ne pourront être mesurées seront calculées par dynamique moléculaire. Un code de calcul des propriétés flexoélectriques de matériaux en présence de fissures sera mis au point. Le travail expérimental sera limité à des biomatériaux en fin de thèse afin de valider les modèles numériques développés.
Une collaboration avec le laboratoire BIOS (Reims, URCA) et IMOPA (UL) sera mise à profit pour aborder la partie biologique en fin de thèse.
Calendrier prévisionnel de la thèse :
1ère année : bibliographie sur le sujet – étude des stimulations électriques et mécaniques sur des matériaux micro fissurés via le développement de modèles. Simulation de la diffusion de cellules osseuses en présence de microfissures et sous stimuli électromécaniques.
2ème année : poursuite des activités de modélisation – Identification d'une loi de comportement piézoélectrique / flexoélectrique en présence de remodelage à l'échelle tissulaire. En fin d'année, mise en place d'un banc d'essais sur biomatériaux micro-fissurés (dont dentine et enamel) sans cellules, puis avec cellules osseuses. Rédaction d'un article.
3ème année : essais sur biomatériaux ensemencés de cellules (BIOS, Reims). Validation des modèles numériques. Synthèse des analyses numériques et expérimentales. Rédaction d'articles et de la thèse.
Keywords
bone structures, remodeling, biomaterials, models, numérical simulations, Testing
Subject details
Context: Bone has a hierarchical structure and undergoes remodelling processes at the cellular and tissue levels, resulting in the formation of new bone through the apposition of hydroxyapatite. Bone contains microcracks that generate high stresses and intense deformation gradients near the crack front. Remodelling is a permanent phenomenon that regulates stresses through the resorption of micro-fractured bone followed by the apposition of new bone. While it is well known that bone remodels under the action of mechanical stimuli, the effect of electrical stimuli has been less quantified in the literature. The action of mechanical and electrical stimuli at different scales, the amplification of fields in the vicinity of microcracks, the identification of the piezoelectric and flexoelectric properties of the biomaterials tested, the coupling between mechanical and electrical fields with remodelling, and the implementation of a measurement protocol on model materials (biomaterials) in order to validate the models, are all scientific challenges that will be addressed in the Thesis. Thesis work: The main objective of the thesis is to develop theoretical and numerical models in a multiphysical and multiscale context in order to conduct sensitivity studies. The numerical sensitivity studies will aim to identify the range of stimuli that can effectively stimulate crack closure (healing) and new bone formation. The piezoelectric and flexoelectric properties of bone-mimicking biomaterials that cannot be measured will be calculated using molecular dynamics. A code for calculating the flexoelectric properties of materials in the presence of cracks will be developed. The experimental work will be limited to biomaterials at the end of the thesis to validate the numerical models developed. A collaboration with the BIOS laboratory (Reims, URCA) and IMOPA (UL) will be used to address the biological part at the end of the thesis. Provisional thesis schedule: 1st year: bibliography on the subject – study of electrical and mechanical stimulation on micro-cracked materials through the development of models. Simulation of bone cell diffusion in the presence of micro-cracks and under electromechanical stimuli. Year 2: continuation of modelling activities – identification of a piezoelectric/flexoelectric behaviour law in the presence of tissue-scale remodelling. At the end of the second year, setting up a test bench on micro-cracked biomaterials (including dentine and enamel) without cells, then with bone cells. Writing of an article. Year 3: testing on biomaterials seeded with cells (BIOS, Reims). Validation of numerical models. Synthesis of numerical and experimental analyses. Writing of articles and of the Thesis.
Profil du candidat
Prérequis et profil du doctorant : le doctorant recruté devra avoir un profil de mécanicien ayant une aptitude pour la modélisation et la simulation numérique. Des compétences dans les domaines de l'expérimentation constituent un plus, mais ne sont pas indispensables.
Candidate profile
Requirements and profile of the doctoral student: The doctoral student recruited must have a background in mechanics with an aptitude for modelling and numerical simulation. Skills in the field of experimentation are an advantage but are not essential.
Référence biblio
Wegst UGK, Bai H, Saiz E, et al. Bioinspired structural materials. Nat Mater 2015; 14: 23–36.
Lemaire T, Capiez-Lernout E, Kaiser J, et al. What is the importance of multiphysical phenomena in bone remodeling signals expression? A multiscale perspective. J Mech Behav Biomed Mater 2011; 4: 909–920.
Vasquez-Sancho F, Abdollahi A, Damjanovic D, et al. Flexoelectricity in Bones. Advanced Materials 2018; 30: 1705316.
Fukada E, Yasuda I. On the Piezoelectric Effect of Bone. J Physical Soc Japan 1957; 12: 1158–1162.
A variational approach of homogenization of piezoelectric composites towards piezoelectric and flexoelectric effective media. N Mawassy, H Reda, JF Ganghoffer, VA Eremeyev, H Lakiss, 2021. International Journal of Engineering Science 158, 103410
A variational approach of homogenization of heterogeneous materials towards second gradient continua. JF Ganghoffer, H Reda, 2021. Mechanics of Materials 158, 103743
Gradient of mechanical properties in polymer nanocomposites: From atomistic scale to the strain gradient effective continuum. H Reda, A Chazirakis, N Savva, JF Ganghoffer, V Harmandaris, 2023. International Journal of Solids and Structures 256, 111977
Ganghoffer JF, Do XN, Ibrahimbegovic A., 2021. Thermodynamic formulations of the growth of solid bodies subjected to electromechanical interactions and application to bone external and internal remodeling. Continuum Mechanics and Thermodynamics DOI: 10.1007/s00161-021-00986-5.