Les réseaux de collagène des tissus mous déterminent leur mécanique non linéaire : au début le tissu est souple, puis il durcit brutalement. Dans l'utérus, le collagène est orienté principalement selon la circonférence et selon l'axe, et son remodelage lors du vieillissement, des maladies ou de l'exposition aux toxines modifie le fonctionnement de l'organe. Pourtant, relier la microstructure à la mécanique de l'organe restait difficile : l'histologie montre la composition, mais pas les conséquences mécaniques. Autour de ce travail, il existe déjà des études de gonflement d'autres organes creux (artères, vagin, vessie, intestin), mais pour l'utérus de souris, l'association du gonflement et de l'analyse inverse des paramètres du matériau est appliquée pour la première fois. Les travaux voisins présents dans l'archive s'inscrivent dans le même courant : eux aussi utilisent le gonflement ou l'analyse inverse pour les tissus mous, mais ne les combinent pas pour l'utérus.
Six souris de lignée CD-1 âgées de 6 mois ont fourni 12 segments de cornes utérines de 15 mm de long. La moitié des segments a été maintenue 4 heures dans une solution de glutaraldéhyde à 0,04 % à 4 °C, afin de réticuler le collagène. Chaque segment a été enfilé sur un cathéter à ballonnet de 1 mm de diamètre et gonflé à un débit de 0,02 ml/min, en augmentant par paliers le volume de 0 à 0,20 ml avec un pas de 0,025 ml. Après chaque palier, une image était prise dans le microtomographe Rigaku CTLab GX130 avec une résolution de 10 µm. La pression était mesurée par un capteur différentiel par rapport à un ballonnet vide, afin de soustraire la résistance du cathéter lui-même. À partir des images, les contours interne et externe de la paroi utérine étaient extraits, convertis en coordonnées polaires et comparés aux contours calculés par le modèle en éléments finis. Le modèle décrivait la paroi comme un matériau homogène avec deux familles de fibres de collagène selon le modèle de Gasser-Ogden-Holzapfel. Les paramètres étaient ajustés par une optimisation en deux étapes : d'abord une évolution différentielle, puis la méthode du simplexe de Nelder-Mead, en minimisant l'erreur quadratique moyenne entre les rayons mesurés et calculés des contours à quatre niveaux de gonflement.
Le gonflement a révélé une dépendance non linéaire de la pression au volume : d'abord le tissu est souple, puis il résiste brutalement. Les segments traités au glutaraldéhyde exigeaient une pression plus élevée à tous les niveaux. Le travail de gonflement a augmenté, la rigidité linéaire sur l'intervalle 0,10–0,20 ml et la résistance maximale à 0,20 ml ont significativement augmenté (p < 0,001). L'analyse inverse a fourni les paramètres du modèle : pour les tissus non traités, la rigidité de la matrice C10 = 14,6 ± 2,1 kPa, la rigidité des fibres k1 = 381,9 ± 18,3 kPa, le paramètre de non-linéarité k2 = 9,1 ± 0,6. Après traitement, C10 a été multiplié par 9,2 jusqu'à 133,8 kPa, k1 par 2,0 jusqu'à 773,2 kPa, k2 par 2,7 jusqu'à 24,3. La dispersion entre échantillons était faible : le coefficient de variation pour k1 n'était que de 4,8 %. L'erreur d'ajustement des contours n'a pas dépassé 3 % pour tous les échantillons et tous les niveaux. L'analyse de sensibilité a montré un unique minimum de la fonction objectif, sans minimum secondaire, ce qui indique la fiabilité de l'estimation des paramètres.
Ce travail se distingue des études voisines par le fait qu'il associe pour la première fois le gonflement de l'utérus de souris à une analyse inverse en éléments finis pour estimer les paramètres du matériau. Les travaux antérieurs sur le gonflement du tractus reproducteur se limitaient à la théorie des parois minces et à la contrainte moyenne, et l'analyse inverse pour l'utérus humain n'avait été faite qu'à partir de données d'indentation et de traction uniaxiale. Ici, les paramètres sont obtenus à partir d'un mode de chargement physiologique, la pression de l'intérieur, et il est montré que la méthode est sensible à la réticulation du collagène. Cela ouvre la voie à une évaluation quantitative des conséquences mécaniques du remodelage tissulaire, que l'on ne voyait auparavant que sur l'histologie.
La méthode peut être étendue à l'étude du remodelage naturel lors du vieillissement, des maladies et de l'exposition aux toxines, où les changements du collagène peuvent être plus faibles que lors du traitement au glutaraldéhyde. L'étape suivante consistera à vérifier quels changements mécaniques minimaux la méthode est capable de détecter. Il faudrait aussi prendre en compte la stratification de la paroi utérine, la contraction active des muscles lisses et la viscoélasticité, afin de rapprocher le modèle du tissu vivant.
Les résultats seront utiles en biomécanique de la reproduction, en toxicologie et pour le développement de méthodes de diagnostic de l'état de l'utérus à partir de paramètres mécaniques.
Tester la méthode sur des degrés de réticulation plus faibles et sur des tissus après exposition à des toxines réelles, et évaluer aussi l'influence du paramètre fixe de dispersion des fibres sur les résultats.
En biomécanique des tissus mous, la question reste ouverte de savoir comment les changements microstructuraux du collagène se répercutent sur la fonction de l'organe. Ce travail montre que l'analyse inverse du gonflement peut relier ces niveaux, mais pour une solution complète il faut tenir compte de la stratification, de l'activité musculaire et des effets temporels.
Le cathéter à ballonnet utilisé pour gonfler l'utérus de la souris a un diamètre de 1 mm, soit à peu près celui d'une mine de crayon.
Non publié sur arXiv. Voici sa page, le PDF et la formalisation : vous pouvez vérifier vous-même, pas seulement lire notre analyse.