Biomécanique - Définition
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Introduction
La biomécanique est l'exploration des propriétés mécaniques des organismes vivants ainsi que l'analyse des principes d'ingénierie faisant fonctionner les systèmes biologiques. Elle traite des relations existantes entre les structures et les fonctions à tous les niveaux d’organisation du vivant à partir des molécules, comme le collagène ou l’élastine, aux tissus et organes. La biomécanique caractérise les réponses spatio-temporelles des matériaux biologiques, qu'ils soient solides, fluides ou viscoélastiques, à un système imposé de forces et de contraintes internes et externes.
Outre la mécanique classique, la biomécanique fait appel à diverses disciplines et techniques comme la rhéologie, pour étudier le comportement des fluides biologiques comme le sang, la résistance des matériaux, pour modéliser les contraintes subies par les tissus comme le cartilage des articulations ou encore les os, la mécanique du solide pour analyser la motricité et la locomotion, depuis les cellules individuelles aux organismes entiers, ce qui constitue une partie intégrante de la kinésiologie.
Applications
La biomécanique est un domaine interdisciplinaire situé à la frontière entre la mécanique physique et les sciences biologiques (du vivant) :
- la mécanique des fluides : par exemple pour l'étude de la circulation sanguine, de la respiration.
- la rhéologie : la biorhéologie est l'étude du comportment des fluides biologiques qui présentent un comportement non-newtonien, comme le sang, les selles, les larmes...
- la mécanique du solide : par exemple l'analyse du mouvement du corps humain en utilisant des systèmes opto-électroniques...
- la résistance des matériaux : par exemple pour la résistance des organes et des membres aux chocs et aux contraintes (traumatologie), pour la fabrication de prothèses ou de casques de protection nouvelle génération.
La biomécanique est présente à tous les niveaux de l'étude du vivant :
- La cellule : échange, transformations, pathologie...
- Le tissu : croissance, résistance, viellissement, réparation...
- L'organe : fonctionnement, pathologie, remplacement...
- Le système, l'appareil : relations entre les organes au sein d'un système, organisation vis-à-vis des propriétés physiques du milieu extérieur (par exemple, adaptation de l'appareil cardiovasculaire à la gravité).
- Le corps dans son ensemble : déambulation, posture, ergonomie...
La biomécanique a de nombreuses applications pratiques, notamment en médecine et en sport.
C'est également un domaine actif de recherche scientifique à l'échelle microscopique. C'est alors un sous-domaine de la biophysique. Elle s'intéresse par exemple à la mécanique :
- des polymères biologiques. L'ADN en particulier a fait l'objet d'expériences spectaculaires. La séquence d'acides aminés affecte les propriétés mécaniques des chaînes, en particulier leurs propriétés de repliement.
- du cytosquelette. L'application de déformations (par contact direct ou au moyen de pinces optiques) permet de mesurer les coefficients de réponse élastique du cytosquelette.
- de la membrane. Lors des mouvements cellulaires, ou d'évènements de phagocytose ou d'endocytose, la membrane subit des déformations importantes. Les propriétés mesurées dépendent des lipides présents en majorité.
Principes
Propriétés mécaniques des biomatériaux
On peut caractériser mécaniquement les biomatériaux comme tous les autres au moyen des dimensions usuelles utilisées dans l'étude de la résistance des matériaux : Module de Young, coefficient de Poisson, Tension ultime, etc. Leur particularité se retrouve par contre dans leur grande anisotropie ; les propriétés mécaniques des tissus vivants diffèrent souvent selon l'orientation observée. De plus, au sein d'une même structure, sa composition peut varier et modifier le comportement mécanique local. Le facteur d'échelle est donc important à considérer dans cette discipline.
Système musculo-squelettique
Le système est composé de muscles, d'os et des articulations. Les différentes composantes du système sont si bien intégrées qu'il peut être difficile de bien les distinguer (aponévrose, insertions communes, fascias).
Tissu osseux
Le tissu osseux est formé de cellules osseuses, les ostéocytes, qui sont logées à l'intérieur de la substance fondamentale osseuse, une substance dure qu'elles élaborent. La substance fondamentale entourant les cellules est composée de lamelles disposées en couches.
Il y a deux variétés de tissu osseux : le tissu osseux spongieux et le tissu osseux compact.
- Tissu spongieux : Moins dense et plus léger que le compact, les lamelles de substance fondamentale sont disposées en travées qui limitent entre elles des cavités remplies par la moelle osseuse. La disposition des travées ressemble à une structure d'éponge.
- Tissu compact : Dense, épais, homogène et solide, la substance fondamentale y est disposée en lamelles concentriques.
Joints et articulations
Muscles
Mécanique des mouvements
Contrairement aux systèmes mécaniques conventionnels, le mouvement "vivant" peut être beaucoup plus complexe. Par exemple, l'articulation de l'épaule qui est habituellement associée à un joint sphérique permet en réalité une translation presque pure de la tête de l'humérus. Les calculs et principes de la physique mécanique sont donc essentiel à la compréhension du mouvement des être vivants et de leurs organes.
