Biomécanique des tendons et des ligaments - Exercices corriges

biomécanique des tendons
ET DES LIGAMENTS
Les tendons et les ligaments sont des tissus conjonctifs par lesquels les
forces musculaires sont transférées pour produire le mouvement articulaire.
Ces tissus sont soumis à de fortes tensions et ils doivent être capables de
résister aux tractions qui vont s'exercer sur ces tissus.
Le tendon est la fraction passive de la Composante Elastique Série. Il est
donc essentiellement étiré par les forces musculaires.
Les ligaments servent à assurer une cohésion des os qui constituent une
articulation. Ils vont limiter, au cours d'un mouvement, le déplacement de
ces structures osseuses les unes par rapport aux autres. Ils vont lutter
contre des forces qui tendent à dissocier les os d'une articulation.
Les tendons et les ligaments ne sont pas uniquement des structures
passives. Ils possèdent de nombreux récepteurs dits proprioceptifs qui
détectent des variations de tension au niveau du tendon ou au niveau de
l'articulation. Ces récepteurs sont très importants pour le contrôle
nerveux du mouvement. L'intégrité des structures tendineuses et
ligamentaires doit être respectée pour que le contrôle du mouvement soit
optimal. aspect structural
Tendons et ligaments ont des structures similaires. Ils sont définis comme
étant des tissus conjonctifs fibreux et denses.
Ils sont composés de 3 éléments principaux :
- des protéines fibreuses (collagène et élastine)
- de la matrice extracellulaire composée d'eau et de molécules
organiques associant protéines et glucides (protéoglycannes). On
appelle aussi cette matrice extracellulaire substance fondamentale.
Elle forme un gel dans lequel les protéines fibreuses sont
incorporées.
- des cellules dont les principales sont des fibroblastes que l'on
retrouve entre les fibres de collagène et qui servent à produire les
différents constituants du tissu.
Dans ces tissus, comme dans tous les tissus, on trouve un épithélium avec
des capillaires sanguins et des fibres nerveuses.
Dans ces tissus, l'eau représente environ 65% du poids. Il y a un peu plus
d'eau dans les ligaments. Le reste est de la matrice extracellulaire.
. Tableau : |Contenu |Tendon |Ligament |
|(% du poids | | |
|sec) | | |
|Tropocollagène |70-80 |40-45 |
|Elastine |2 |4 |
|Protéoglycannes|10 |40 | Ces structures sont essentiellement formées de tropocollagène (ou collagène
de type I), en grande quantité au niveau du tendon, en quantité un peu
moindre dans les ligaments.
. Figure 13-1 : Organisation structurale des tendons L'unité de base de ces structures est le tropocollagène.
5 molécules de tropocollagène s'associent pour former une microfibrille qui
elles-mêmes s'associent pour former des sous-fibrilles, puis pour former
des fibrilles.
Ces fibrilles s'associent et s'amalgament avec de l'eau et des
protéoglycannes. Les protéoglycannes sont importantes car elles permettent
de former des ponts biochimiques entre les fibrilles.
L'association des fibrilles permet de former des faisceaux enveloppés dans
une membrane fasciculaire. Ces faisceaux s'unissent pour former le tendon.
Le tendon est enveloppé d'une membrane, la membrane réticulaire. Cette
membrane forme une gaine ferme qui sert de poulie au tendon, c'est-à-dire
qui va diriger leur chemin.
. Schéma : Structure du tropocollagène Le tropocollagène est formé par 3 chaînes d'acides aminés qui forment une
triple hélice, ces chaînes d'acides aminés ayant elles-mêmes une forme
hélicoïdale.
Dans ces chaînes, il y a une séquence d'acides aminés qui se répète :
proline - glycine - hydroxyproline.
Cette séquence va servir à la traction dans l'axe des fibres. La fragilité des tendons et des ligaments sera plus importante au niveau de
leurs insertions. En ce qui concerne l'insertion de ces tissus sur les os,
on a une transition progressive, ce qui permet d'avoir des liens
relativement résistants.
Ce n'est pas le cas pour la jonction myotendineuse qui est beaucoup plus
fragile puisque la transition fibre de collagène - fibre musculaire est
plus directe.
comportement mécanique
Les tendons et les ligaments sont des structures soumises à des contraintes
en traction.
L'étude de leurs propriétés mécaniques permettra d'évaluer leurs capacités
à résister à une déformation lorsqu'elles sont soumises à des forces
externes. Pour étudier le comportement mécanique de ces structures, on applique des
tractions sur des tendons ou des ligaments isolés (études sur des animaux).
Quand on applique ces tractions, on mesure des variations de longueur et de
force au niveau de ces structures.
. Schéma : Machine à traction dynamique Par un système hydraulique, on peut faire varier l'amplitude et la vitesse
de la traction.
Le comportement mécanique des tendons et des ligaments est visco-élastique.
Ce comportement va dépendre de la contrainte appliquée et de sa vitesse
d'application.
Dans les tendons et les ligaments, on a des structures élastiques qui vont
résister aux contraintes et des structures visqueuses.
1 comportement élastique
Le comportement élastique est caractérisé par les relations contrainte -
déformation. 1 relation contrainte - déformation . Schéma : Relation contrainte - déformation au niveau des ligaments. Zone I : Le pied.
C'est une zone de faible contrainte et de déformation importante.
Cette partie est une zone visco-élastique, c'est-à-dire que la raideur
initialement faible augmente progressivement.
Dans cette zone, il y a un déplissement progressif des fibres de collagène
qui sont initialement ondulées.
Cette zone correspond aux contraintes exercées sur les tendons et les
ligaments dans une activité quotidienne. Zone II : La phase élastique.
C'est une zone linéaire caractérisée par sa pente (= raideur ou coefficient
d'élasticité ou module de Young).
Dans cette phase, on va avoir une forte augmentation de la tension pour une
déformation relativement faible. Ce sont les fibres de collagène qui
résistent aux tractions.
C'est dans cette zone que le transfert des forces sera optimal.
C'est une zone qui est purement élastique puisque les déformations sont
totalement réversibles, c'est-à-dire que dès que le tendon ou le ligament
n'est plus soumis à la contrainte, il revient à son état initial.
En activité physiologique sportive, ou se trouve dans cette zone de mise en
contrainte. Zone III : La phase plastique.
Dans cette zone, il y a une rupture de pente, c'est-à-dire que les
contraintes se stabilisent pour des déformations plus importantes.
Dans cette zone, on a dépassé la limite élastique de la structure, c'est-à-
dire que les fibres de collagène ne peuvent plus résister à la contrainte
et vont donc se rompre.
On va d'abord avoir une rupture progressive, ce qui explique l'allure en
dents de scie de la courbe.
Cette phase se termine quand toutes les fibres de collagène sont rompues.
On appelle cette phase la phase plastique parce que les déformations ici
deviennent irréversibles.
Dans le cas des ligaments, on a une tension de rupture égale à 400-500 N.
Dans le cas des tendons, la tension de rupture est de 700-800 N. 2 variabilité du comportement mécanique
. Selon la géométrie du tendon ou du ligament
. Schéma : Tendon de même longueur mais de section différente Dans le cas du tendon le plus épais, on a une raideur double, une tension
de rupture elle aussi doublée. Par contre, la longueur de rupture est
identique.
. Schéma : Même section mais longueur différente Pour le tendon le plus long, la raideur est diminuée de moitié. Son
élongation maximale est doublée. Par contre, la tension de rupture est la
même. ( Pour réellement caractériser le comportement mécanique de ces structures
sans tenir compte de leur géométrie, on va travailler sur des valeurs
normalisées.
Contrainte (stress, Pa ou N/m²) = Force (N) / Section (m²)
Déformation (strain) = variation de longueur (mm) / longueur initiale l0
(mm), peut être exprimée en pourcentage : ( 100 Dans le cas des 4 ligaments (A, 2A, L, 2L), on obtiendra la même relation
contrainte - déformation.
. Schéma : Paramètres mécaniques retenus :
- coefficient d'élasticité (raideur) : 1 à 1,8 GPa (1Giga Pascal = 109
N/m²)
- contrainte maximale (à la rupture) : 50 à 100 ( 103 Pa
- déformation maximale (% de déformation à la rupture) : 9 à 30% pour le
tendon, 12 à 50% pour le ligament
- énergie de déformation (surface sous la courbe contrainte -
déformation).
Au niveau méthodologique, la grande difficulté va être de mesurer la
section du tendon.
2 comportement visqueux
Le modèle mécanique le plus approprié pour ces structures est le modèle de
MAXWELL.
. Schéma : Modèle de MAXWELL ressort (élasticité) + amortisseur (viscosité) en série
1 influence de la vitesse d'application de la contrainte . Schéma : Influence de la vitesse d'application de la contrainte Plus la vitesse est lente, plus la résistance à la contrainte est faible.
Plus les tendons et les ligaments sont mis rapidement sous contrainte, plus
les structures risquent d'être lésées. C'est le contraire pour les os : les
structures osseuses sont plus sujettes à lésion quand les contraintes sont
appliquées lentement. 2 relaxation de la contrainte (ou stress relaxation)
Quand le tendon ou le ligament est soumis à une déformation qui est
maintenue constante, le tissu va développer une résistance à cette
déformation qui va s'atténuer quand la déformation deviendra constante.
. Schéma :
3 fluage de la déformation (creep)
Dans ce cas, le tendon ou le ligament est soumis à une contrainte. Il se
déforme, mais, alors que la contrainte est ensuite maintenue constante, la
structure continue à se déformer.
. Courbe : Creep
4 hystérésis en cycle étirement-détente
L