8 juillet 2019 Contrainte mécanique et déformation

Notre corps, nos organes et nos cellules sont tous soumis à des contraintes mécaniques. Leur influence sur des organismes vivants est omniprésente. Elle dépend non seulement des charges environnementales et endogènes (pression exercée par les cavités et le sang), mais également des facteurs mécaniques intrinsèques des organes, tels que la forme, l’architecture ou les propriétés mécaniques des tissus. La contrainte mécanique pourrait être la cause, la conséquence et/ou pourrait également interagir simultanément avec les processus biologiques. Les cellules sont soumises à des forces mécaniques qui influencent la division cellulaire, l’expression des gènes, la migration cellulaire, la morphogenèse, l’adhésion cellulaire, l’homéostasie des fluides, le déclenchement des canaux ioniques et le transport vésiculaire.

Des études récentes ont démontré que les forces physiques jouent un rôle clé dans la morphogenèse végétale et animale. La peau possède également des propriétés biomécaniques uniques qui lui permettent de protéger et de se conformer au corps qu’elle recouvre. Les propriétés sont également d’un grand intérêt en ce qui concerne la chirurgie dermatologique, le vieillissement cutané et l’état pathologique. Les maladies associées au vieillissement de différents mécanismes, telles que la cardiomyopathie, la maladie valvulaire dégénérative, l’athérosclérose ou l’arthrose, et la cataracte présentent des facteurs mécaniques qui interagissent avec leur pathogenèse.

Pour comprendre les propriétés biologiques des matériaux et leur comportement mécanique, il convient de bien comprendre le concept de contrainte mécanique.

La contrainte mécanique (σ) est définie comme la force par unité de surface d’un matériau. Il existe plusieurs types de contraintes mécaniques et toutes ces contraintes induisent une déformation (ε):

  • Contrainte de traction, qui a tendance à étirer ou allonger le matériau
  • Contrainte de compression, qui a tendance à comprimer ou à raccourcir le matériau
  • Contrainte de cisaillement, qui a tendance à cisailler le matériau
  • Contrainte de torsion, qui a tendance à tordre le matériau
  • Contrainte de flexion, qui a tendance à plier le matériau.

La déformation est la réaction d’un matériau lorsqu’il est soumis à des contraintes mécaniques. Cela dépend de la nature, de la rigidité ou de la forme du matériau, et de la force (contrainte) appliquée.
La déformation (ε) est une longueur relative induite par la déformation et caractérise le pourcentage de déformation (allongement, raccourcissement, etc.) du matériau par rapport à la longueur initiale.

 

La contrainte mécanique (σ) et la déformation (ε) sont deux concepts directement liés par la loi de Hooke.

Cette loi permet d’étudier l’évolution de la contrainte mécanique sur la déformation, et la courbe est composée de différentes régions :

Pendant les phases initiales de chargement, les matériaux se déforment en proportion directe avec la contrainte mécanique, comme le montre la relation linéaire précoce entre la contrainte et la déformation. Cette relation linéaire suit la loi de Hookes et la pente de la courbe est le module de Young (E), une mesure de la rigidité d’un matériau élastique.

La deuxième phase débute après le point de chute. Un matériau chargé de contraintes au-delà du point de rupture ne reprendra pas complètement sa forme d’origine lors de la suppression des contraintes. Le point de rupture représente donc la limite élastique, et la région de la courbe au-delà de ce point est connue comme la région plastique. La contrainte croissante produit une déformation croissante, mais pas de façon linéaire, et induit une déformation permanente du matériau.

Une fois la charge maximale dépassée, le matériau se déforme rapidement et une rupture se produit (point de rupture).

Si l’on prend comme exemple la peau, lors de la phase initiale de chargement et jusqu’à une certaine déformation, la peau offre peu de résistance à la déformation car les fibres élastiques dominent le comportement, avec un peu d’implication de la part des fibres de collagène. Si la déformation est relâchée, la peau revient à son stade initial. Si le chargement continue dans la région plastique, la contrainte croissante produit une tension croissante. C’est à ce stade que les propriétés du collagène deviennent pertinentes. En chirurgie cutanée et en fermeture de plaie, le chirurgien cherche à trouver le point optimal sur la courbe contrainte-déformation où l’application du stress produit la plus grande déformation mais ne dépasse pas la résistance à la traction de la peau.

Références:

  • The biomechanical properties of skin, Hussain et al. 2013, American Society of Dermatologic Surgery.
  • Mechanical Stress as the Common Denominator between Chronic Inflammation, Cancer, and Alzheimer’s Disease, Nogueira et al. 2015, Front Onc.