Les blessures du complexe musculo-tendineux constituent un enjeu de taille en biomécanique et en médecine sportive. Ces lésions, souvent localisées à la jonction du muscle et du tendon, provoquent une altération de la fonctionnalité et des complications à long terme pour les patients. Comprendre les mécanismes conduisant à ces déchirures est essentiel pour améliorer les protocoles de prévention, de diagnostic et de réhabilitation. Les méthodes traditionnelles de modélisation, comme celles par éléments finis, permettent d’approcher le comportement global des tissus mais ne capturent pas toujours la complexité structurelle et comportementale du système. Dans ce contexte, la méthode des éléments discrets, initialement développée pour d’autres domaines comme l’étude des matériaux composites, offre une alternative prometteuse pour explorer ces phénomènes complexes.

• Défis biomécaniques
Le complexe musculo-tendineux est une structure multi-échelle comprenant les fibres musculaires organisées en faisceaux, une matrice extracellulaire agissant comme un ciment ainsi qu’une jonction reliant muscle et tendon. Chaque composant possède des propriétés mécaniques spécifiques, interagissant pour garantir l’intégrité structurelle sous différentes charges mécaniques. Lors de sollicitations excessives, tels des étirements brusques combinés à une contraction musculaire, les déchirures peuvent survenir. Les études cliniques montrent que ces ruptures affectent souvent la jonction myotendineuse, où la transition entre le tissu élastique du muscle et la rigidité du tendon est la plus critique.

• Modélisation par éléments discrets
La méthode des éléments discrets repose sur une représentation du complexe musculo-tendineux sous forme de particules reliées par des ressorts. Les fibres musculaires, les tendons et la matrice extracellulaire sont modélisés avec des propriétés mécaniques adaptées, issues de la littérature scientifique. Cette méthode permet de suivre les comportements locaux et globaux de la structure sous tension et d’analyser les mécanismes de rupture à une échelle microstructurale. Elle offre une flexibilité pour intégrer des critères locaux de rupture et permet une analyse fine des délaminations progressives.

• Validation expérimentale
Les simulations numériques ont été validées par des tests réalisés sur des échantillons biologiques humains. Ces expériences ont permis de comparer les courbes force-déplacement obtenues par simulation et expérimentalement. Les résultats montrent une bonne correspondance entre les deux comportements. Deux phases mécaniques distinctes ont été identifiées : un comportement élastique non linéaire initial, suivi par une rupture localisée progressive, principalement au niveau de la jonction myotendineuse.

• Localisation des déchirures
Les observations ont révélé que la rupture commence par une délamination de la matrice extracellulaire, responsable d’une perte de cohésion au sein de la jonction, avant de progresser vers une désinsertion des fibres tendineuses. Ces mécanismes, confirmés par des données expérimentales, renforcent l’hypothèse d’une zone critique de concentration des contraintes mécaniques dans cette région, la structure et l’architecture jouant un rôle clé dans ces processus.

• Impact des paramètres géométriques
Les simulations ont mis en évidence l’influence des caractéristiques géométriques. Par exemple, l’orientation des fibres musculaires par rapport à l’axe global du muscle a une forte influence sur la force maximale que la structure peut supporter, tandis qu’un rapport élevé entre la largeur du muscle et celle du tendon augmente la susceptibilité à la délamination. Ces observations soulignent l’importance des paramètres géométriques dans la résistance globale du complexe musculo-tendineux.

• Intérêt des éléments discrets
La méthode des éléments discrets autorise une modélisation précise des interactions locales et des comportements non linéaires des tissus biologiques. Elle permet de simuler non seulement le comportement global, mais aussi les mécanismes de délamination à l’échelle microstructurale. De plus, la flexibilité offerte par cette méthode pour intégrer des critères spécifiques de rupture la rend particulièrement adaptée à l’étude des structures biologiques complexes.

• Applications cliniques et industrielles
Les résultats obtenus ouvrent des perspectives prometteuses dans plusieurs domaines. En médecine, ces modèles pourraient être utilisés pour prédire le risque de blessure chez les sportifs, en intégrant les données anatomiques et mécaniques propres à chaque individu. Cela pourrait aboutir à des plans de prévention et de réhabilitation sur mesure. Par ailleurs, dans l’industrie des équipements sportifs, ces simulations offrent une base scientifique pour concevoir des dispositifs capables de réduire les charges mécaniques sur les muscles et les tendons, sécurisant ainsi davantage leur utilisation.

• Limites et pistes futures
Bien que les résultats soient encourageants, certaines hypothèses simplificatrices du modèle, comme l’homogénéité des propriétés mécaniques ou l’absence de viscosité des tissus, doivent être améliorées pour refléter au mieux la réalité biologique. Les futures recherches viseront également à intégrer des données obtenues in vivo, notamment grâce à des techniques d’imagerie, pour affiner les modèles et augmenter leur pertinence clinique.

La méthode des éléments discrets représente une avancée majeure dans la compréhension des déchirures du complexe musculo-tendineux. Elle permet une analyse détaillée des mécanismes de rupture ainsi que des facteurs géométriques et mécaniques influençant leur apparition. Les perspectives de ce travail incluent le développement de modèles encore plus réalistes, l’intégration de données patient spécifiques et l’étude d’autres tissus biologiques complexes. Ces avancées pourraient transformer la prévention des blessures et contribuer à améliorer significativement les soins aux patients.Sébastien Laporte
Directeur de l’institut de biomécanique humaine Georges-Charpak (IBHGC), expert en biomécanique lésionnelle et traumatologique. Professeur au campus Arts et Métiers de Paris, il anime le programme A&M « Santé » de l’école.
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Références

- « Influence of Muscle-Tendon Complex Geometrical Parameters on Modeling Passive Stretch Behavior With the Discrete Element Method », A. Roux, S. Laporte, J. Lecompte, L.L. Gras et I. Iordanoff, Journal of Biomechanics, 2016, vol. 49, no 2, p. 252-258. https://doi.org/10.1016/j.jbiomech.2015.12.006
- « Modeling of Muscular Activation of the Muscle-Tendon Complex Using Discrete Element Method », A. Roux, J. Lecompte, I. Iordanoff et S. Laporte, Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering, 2021, vol. 24, no 11, p. 1184-1194. https://doi.org/10.1080/10255842.2020.1870039
- « Model of Calf Muscle Tear During a Simulated Eccentric Contraction, Comparison Between ex vivo Experiments and Discrete Element Model », A. Roux, T.-X. Haen, I. Iordanoff et S. Laporte, Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 2023, vol. 142, 105823. https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2023.105823

Présentation de l’IBHGC

L’institut de biomécanique humaine Georges-Charpak (IBHGC), situé sur le campus Arts et Métiers de Paris, est un lieu unique réunissant cliniciens et ingénieurs. Il se consacre à la modélisation et à l’analyse du corps humain, des mécanismes lésionnels aux solutions innovantes en matière de prévention, de diagnostic et de traitement.