Section 09 Ingénierie des matériaux et des structures, mécanique des solides, biomécanique, acoustique

IV. Mécanique pour le vivant

La section est partie prenante sur cette thématique depuis assez longtemps, mais plus récemment au début des années 2000 lorsque l'INSIS a affiché des postes CR sur le thème « biomécanique ». Il peut donc être opportun de faire un bilan de cet apport. Notons tout d'abord que ce thème est aux frontières avec d'autres disciplines, en particulier avec la section 28 (INSIS et INSB), la section 10 (pour les aspects « biofluides »), mais aussi avec les sections de biologie (20 à 26 du CNRS, INSB) ou encore la physique (sections 5 et 11 de l'INP), et deux commissions interdisciplinaires (CID 51 « Modélisation, et analyse des données et des systèmes biologiques : approches informatiques, mathématiques et physiques » et CID54 sur les « méthodes expérimentales, concepts et instrumentation en sciences de la matière et en ingénierie pour le vivant »). Les autres partenaires sont surtout l'INSERM, les centres hospitaliers et le CEA.

Une culture pluridisciplinaire est nécessaire pour aborder la mécanique pour le vivant. Les chercheurs ont parfois du mal à utiliser une telle démarche, indispensable pour mieux interagir avec les autres acteurs. Trouver un langage commun tout en restant ancré dans sa propre communauté est difficile et peut prendre des années. Néanmoins, cette discipline connaît un réel engouement chez les jeunes comme le montre le nombre de candidatures aux concours en particulier dans les commissions interdisciplinaires.

Au niveau de la structuration actuelle, des efforts restent à faire vue la dispersion des forces. On distingue en effet certains laboratoires qui ont une bonne visibilité car ils ont su développer depuis longtemps cette culture au contact de partenaires dans leur voisinage immédiat. Mais de nombreuses équipes (de taille souvent réduite) sont apparues depuis une dizaine d'années. En section 09 au CNRS, on trouve environ une trentaine de chercheurs impliqués et une soixantaine d'enseignants-chercheurs. Deux GDRs se sont créés dans le but de mieux structurer la communauté, le GDR « Mécanotransduction » et le GDR « Mécanique des matériaux et fluides biologiques ». On note aussi l'existence d'un GDR relevant de l'INP (GDR « CellTiss ») et un EquipeX lyonnais (IVTV). La société de Biomécanique (SB) joue aussi un rôle dans l'organisation et notons enfin que l'alliance AVIESAN assure un rôle de structuration national.

Au niveau des recherches développées, on constate que certaines équipes ont acquis une renommée internationale, et les aspects les plus étudiés/aboutis concernent :

– la biomécanique musculo-squelettique : système ostéo-articulaire sain, lésé ou réparé, tissu osseux (os cortical et trabéculaire), tissus mous (disque inter-vertébral, ligaments, muscles) avec des applications en orthopédie, suivi clinique pré- et post-traitement, réadaptation, sports, robotique, sécurité et confort des transports, ergonomie ;

– la bioingénierie tissulaire, en particulier l'os, les ligaments, le cartilage, la peau et plus généralement les tissus mous (réparation tissulaire, remodelage, morphogenèse) ;

– l'imagerie biomédicale : élastographie, ultrasons (se référer en particulier aux « ultrasons médicaux » détaillés en partie V) ;

– les lois de comportement (hyper-élasticité, visco-élasticité, homogénéisation) ;

– les écoulements (échelles cellulaire et du biofluide) avec interactions fluide-structure (paroi vasculaire, bioréacteurs) en géométrie complexe 3D, la bio-tribologie, la micro-circulation (thème aussi présent en section 10) ;

– la biomimétique et la mécanique des plantes ;

– le développement de biomatériaux et prothèses (implants, biocéramiques, etc.) ;

– la mécanique cellulaire et mécanotransduction associée ;

– les nouvelles méthodes d'investigation : méthodes de champ, AFM, IRM, génération de 2e (SHG) et 3e harmonique (THG), acoustique picoseconde, microscopie confocale, tomographie, etc.

Le morcellement des thématiques et des acteurs reste certain, il faudra que le CNRS continue ce travail de structuration. Le développement de recherches fondamentales doit être toujours omniprésent ; il conduira à des connaissances amont sur le comportement des milieux du vivant, en vue notamment de la maîtrise de l'ingénierie cellulaire, tissulaire et osseuse. Les avancées en ingénierie doivent, par ailleurs, permettre de développer des outils conduisant à des avancées des techniques médicales et de la pratique médicale au quotidien. Il s'agit donc de sensibiliser les praticiens du monde hospitalier (dont la pratique est encore empirique) à l'intérêt d'une approche plus scientifique dans laquelle la mécanique a un rôle important à jouer.

La prise en compte des différentes échelles reste fondamentale, comme précédemment illustrée au § II.F. L'échelle cellulaire est nécessaire car la cellule possède une mécanique complexe en lien étroit avec son environnement mécano-biologique. Grâce aux méthodes de micro-fabrication, il est maintenant possible de contrôler certains aspects de l'environnement (rigidité, géométrie, nature du support, biochimie, écoulement) afin d'aller vers une meilleure compréhension des mécanismes cellulaires. Ceux-ci devront ensuite être intégrés à l'échelle supérieure. En particulier, la reconstruction de tissus lésés ou la conception d'organes artificiels (foie, muscles, tendons, peau) comporte de multiples facettes et les bioréacteurs devront être capables de contrôler l'état mécanique de contrainte et déformation ou croissance des cultures. Ainsi il faudra combiner toutes les compétences du génie des procédés, de la biologie, de la mécanique des fluides et des transferts dans une approche multiphysique.

Les approches les plus prometteuses seront celles qui viseront à coupler approches mécaniques expérimentales, imagerie et modèles. Il y a en effet un besoin important d'apporter une justification expérimentale aux modèles développés actuellement, tout en ayant accès aux informations structurales (i.e. architecture 3D d'un tissu), et inversement de nombreuses techniques d'imagerie souffrent encore d'un manque en modélisation. À ce titre, il est essentiel de continuer à inventer (ou améliorer) des nouvelles méthodes d'imagerie pour l'exploration des tissus in vivo, et dans le même registre, accompagner les industriels dans le développement d'innovations diagnostiques. Un autre aspect à renforcer est le développement de bases de données aussi larges que possible intégrant des paramètres multiphysiques en vue de réaliser des simulations numériques du comportement fonctionnel d'entités anatomiques prenant en compte la cinématique, les interactions des organes avec leur environnement et les modèles rhéologiques complexes.

Il faut enfin encourager la formation à et par la recherche de jeunes scientifiques aux disciplines concernées, et mettre en place des cursus spécialisés en Biomécanique et Bioingénierie au sein des écoles d'Ingénieur et/ou au niveau master, faisant appel à des intervenants de multiples horizons (praticiens hospitaliers, radiophysiciens, mécaniciens, spécialistes des techniques d'imagerie), en veillant à conserver un niveau d'excellence dans les disciplines de base sur lesquelles s'appuie la mécanique du vivant. Les enjeux sont bien sûr sociétaux et visent la compréhension mais aussi le traitement des pathologies, ainsi que la conception de matériaux biocompatibles et de tissus artificiels, à une ère où il faudra à long terme remédier au vieillissement.