Sujet : Plate-forme expérimentale in vivo combinant l'évaluation 3D synchrone du microdommage, du remodelage et des propriétés mécaniques d'os longs d'un modèle animal soumis à la fatigue
Directeur : Prof. Isabelle Villemure, Génie mécanique, Polytechnique Montréal
Co-directeur(s) : Prof. Catherine Laporte, Génie électrique, École de technologie supérieure

Description : Les microdommages et le remodelage osseux sont étroitement liés : l'accumulation de microfissures linéaires peut activer le processus de réparation médié par le remodelage osseux, ce qui aide éventuellement à réduire les quantités et la densité des microdommages. Il est essentiel de développer une plate-forme capable d'effectuer simultanément une évaluation des microdommages 3D et du remodelage sur la base de modèles animaux de laboratoire, ce qui peut fournir des preuves biomécaniques transférables aux études cliniques sur les fractures osseuses.

Objectif général : Déterminer les relations spatio-temporelles entre le remodelage osseux in vivo et l'accumulation de microdommages dans un modèle animal.

Formation : B.Ing. Génie mécanique (coopération franco-chinoise), Université Jiao-tong de Shanghai (2017); B.Sc. Mathématiques appliquées, Université Jiao-tong de Shanghai (2018); M.Sc.A. Génie mécanique, Polytechnique Montréal (2020)

Bureau : A-630.5 (POLY), 2.17.315.6 (CHUSJ)
Courriel: bohao.ning@polymtl.ca

Sujet : Fixation interne par plaque programmable télécommandée pour améliorer et accélérer l'ostéogenèse par distraction (OD) chez les enfants
Directeur : Isabelle Villemure, Génie mécanique, Polytechnique Montréal
Co-directeur(s) : Pr Carl-Eric Aubin, Génie mécanique, Polytechnique Montréal; Dre Marie-Lyne Nault, Département de chirurgie, Université de Montréal

Description :

L'ostéogenèse par distraction (OD) est une méthode de régénération osseuse, qui est actuellement utilisée comme traitement des écarts de longueur des jambes, des déformations osseuses, des défauts osseux importants consécutifs à un traumatisme, etc. La fixation externe d'Ilizarov est l'étalon-or pour effectuer l'OD. Malgré les résultats positifs de l'utilisation de cette méthode, les rapports de plusieurs complications ont démontré la nécessité de la révision de cette méthode de fixation. Les clous intramédullaires motorisés (IM) sont les fixateurs internes DO les plus utilisés en clinique. Cependant, les clous IM ne sont pas recommandés pour les patients pédiatriques en raison du risque élevé d'endommagement des plaques de croissance et d'un apport sanguin important. Le Laboratoire de mécanobiologie pédiatrique (LMP) a récemment développé un prototype de fixateur de plaque DO, un fixateur télescopique interne mais extramédullaire (EM), pour préserver la plaque de croissance, entraîné de l'extérieur avec un contrôleur magnétique. Des études préliminaires ont montré des résultats prometteurs sur les performances de distraction ex-vivo de l'appareil. Cependant, le comportement mécanique du fixateur DO sous charge physiologique et les performances in vivo de l'appareil restent à évaluer. De plus, le fixateur DO doit être miniaturisé pour s'adapter aux patients pédiatriques.

Objectif global : Réviser et évaluer la conception du fixateur DO pour son application chez les patients pédiatriques

Objectifs spécifiques :

O1) Déterminer la distraction et les comportements mécaniques de l'ensemble fixateur/contrôleur actuel

O2) Préparer et mener une étude de faisabilité in-vivo d'une chirurgie DO en utilisant l'ensemble fixateur/contrôleur actuel sur un modèle animal

O3) Développer et valider un modèle EF permettant d'aider à la conception de l'implant miniaturisé

O4) Revoir et miniaturiser la conception actuelle du fixateur pour une application pédiatrique humaine

O5) Préparer et mener une étude comparative in-vivo d'une chirurgie DO en utilisant l'ensemble fixateur/contrôleur miniaturisé ainsi que deux autres fixateurs DO couramment utilisés sur un modèle animal

O6) Définir quelques recommandations de conception pour l'orientation future de l'étude

Formation : Formation : M.Sc., Biomécanique, Téhéran Polytechnique (2019) ; M.Sc, Génie biomécanique, Téhéran Polytechnique (2015)
Bureau : Polytechnique Montréal / Centre de recherche CHU Ste-Justine, local 4729
Courriel: mohammad-ali.bagheri@polymtl.ca

Sujet : Échafauds via fabrication additive pour la stabilisation et l'administration d'agents thérapeutiques dans les métastases osseuses
Directeur : Dr. Derek Rosenzweig, Département de chirurgie expérimentale, McGill University
Co-directeur(s) : Dr. Isabelle Villemure, Département de génie mécanique, Polytechnique

Description : On constate une augmentation récente de la fréquence de cancer et une augmentation du risque de cancer métastatique. L'os est le troisième endroit le plus fréquent de métastases, alors que les tumeurs du sein et de la prostate sont la source primaire. Les métastases osseuses peuvent provoquer des douleurs, une grave instabilité et des fractures. Le traitement de référence actuel pour les grands défauts de l’os est la résection chirurgicale, qui consiste à enlever de grandes parties de l'os qui ont déjà été affectés par le cancer. Une des limitations de ce traitement c’est que de très petites quantités de tumeur résiduelle demeurent souvent cachées. Alors que la durée de survie des patients augmente, ils sont confrontés à un risque élevé de récidive et de réopération. Les résections de tumeurs osseuses provoquent souvent des défauts de taille critique qui ne peuvent pas s'auto-réparer et nécessitent un soutien supplémentaire pour la stabilisation et la régénération osseuse. Une méthode idéale pour surmonter les limites actuelles est la fabrication additive, car elle est rentable et permet de produire des géométries uniques et spécifiques au patient.

Nous souhaitons imprimer en 3D des implants osseux (échafaudages) composites pour vérifier s'ils peuvent délivrer avec succès des chimiothérapies, entraînant une réduction de la prolifération des cellules cancéreuses.

O1) Générer des implants composites à partir de deux types de polymères : un polymère rigide qui contient des minéraux favorisant la réparation osseuse, et un polymère de type éponge qui peut être chargé de produits thérapeutiques pour une administration locale.

O2) Tester l'intégrité mécanique des échafaudages.

O3) Tester la capacité des échafaudages à délivrer des chimiothérapies aux cellules cancéreuses du sein et de la prostate.

O4) Tester les échafaudages dans un modèle de métastase osseuse chez le rat où nous surveillerons la réparation osseuse, la stabilité mécanique et l'inhibition de la récurrence du cancer après résection.

Formation : B.Sc. Neurosciences comportementales, Concordia (2018)
Bureau : C10.173, L’hôpital général de Montréal
Courriel: audrey.pitaru@mail.mcgill.ca

Sujet : Effet de la vitamine D sur la morphométrie osseuse et sur la stabilité du mouvement dentaire orthodontique (MDO) chez le rat
Directeur : Clarice Nishio, Faculté de médecine dentaire, Université de Montréal
Co-directeur(s) : Isabelle Villemure, Département de génie mécanique, Polytechnique Montréal

Description : Plusieurs facteurs peuvent influencer la vitesse et la stabilité du mouvement dentaire orthodontique (MDO) comme l’âge du patient, la croissance, les forces biomécaniques, la sévérité de la malocclusion et certaines molécules dans les aliments et les médicaments. Durant le traitement orthodontique, les patients peuvent consommer des hormones ou des suppléments de vitamines ou minéraux. La vitamine D peut affecter le MDO à court et/ou long terme. Il est essentiel de comprendre mieux ses mécanismes d’action et leurs effets sur le remodelage osseux durant le MDO. La source principale d’absorption de la vitamine D est la synthèse dermique provenant de la lumière solaire. En Amérique du Nord, une carence est particulièrement marquée durant la saison d’hiver en raison des journées raccourcies et un manque d’exposition solaire. Les suppléments de vitamine D sont une façon simple et économique pour remédier à cette situation. Quelques études ont démontré que la vitamine D augmente la vitesse du MDO. Toutefois, il y a un manque d’évidences scientifiques par rapport à son influence sur la stabilité à long terme suite au traitement orthodontique.

Objectif principal : évaluer l’influence de la vitamine D, administrée de façon systémique et locale, sur la vitesse du MDO et sa stabilité à court et à long termes.

Objectifs spécifiques :

O1) évaluer si la vitamine D affecte le MDO;

O2) évaluer l’influence de la vitamine D sur la stabilité du MDO;

O3) comparer les effets de deux formes d’administration de la vitamine D, systémique ou locale, sur la stabilité suite au MDO.

Formation : B.Sc., Baccalauréat en Audiologie, Université de Montréal (2016); D.M.D., Doctorat en Médecine dentaire, Université de Montréal (2021); M.Sc., Maîtrise en sciences buccodentaires, Université de Montréal (2021)
Courriel: marie-pascale.gratton@umontreal.ca

Sujet : Modélisation de l'ancrage des vis sacro-iliaques et de la qualité osseuse spécifique au patient
Directeur : C.-E. Aubin, département de génie mécanique, Polytechnique Montréal
Co-directeur(s) : I. Villemure, département de génie mécanique, Polytechnique Montréal

Description : La prévalence des déformations du rachis chez les personnes âgées augmente avec le vieillissement de la population. Dans le cas de déformations sévères, une intervention chirurgicale est nécessaire afin de restaurer l'alignement global. Pour ce faire, des tiges métalliques connectées aux vertèbres par des vis pédiculaires sont utilisées. Vu les forces importantes devant être soutenues au niveau de l’instrumentation, les risques de défaillances peuvent s’avérer élevés. Il existe plusieurs types de fixation pelvienne. Les vis iliaques et sacro-iliaques sont le plus souvent utilisées. La trajectoire et les dimensions des vis sont choisies en fonction de la taille, morphologie et qualité osseuse du bassin, mais ces dernières sont difficiles à apprécier avec les techniques d’imagerie classiques, si bien que l’ancrage n’est pas toujours optimal pour résister aux importantes sollicitations mécaniques. Avec l’avènement des technologies d’assistance par fluoroscopie/navigation et robotique, il est désormais possible d’améliorer la précision pour placer les vis.

Ce projet vise à exploiter une nouvelle technologie de radiographie multi-énergie bi-planaire à micro-doses de nouvelle génération afin de construire un modèle 3D détaillé par éléments finis (MEF) personnalisé aux propriétés physiques de l'os et d'autres tissus du bassin, et permettant de représenter finement l’ancrage vis-os tout au long de la trajectoire des vis. Cette modélisation permettra notamment d’évaluer et d’optimiser la performance de fixation sacro-iliaque propre à chaque patient, afin de réduire les risques de défaillance mécanique. 

Objectifs spécifiques :

O1) Développer une méthode pour extraire les propriétés physiques du bassin à partir des images multi-énergies EOS-Edge, et construire un MEF détaillé personnalisé à la géométrie et caractéristiques mécaniques d’un patient.

O2) Vérification, validation et caractérisation des incertitudes du MEF et techniques de reconstruction 3D/densité osseuse en suivant la norme ASME V&V40. Ceci exploitera en particulier une base de données de cas instrumentés au bassin via une collaboration avec Dr David Polly de l’Université du Minnesota (chirurgien orthopédiste spécialiste du rachis et de l’instrumentation spino-pelvienne).

O3) Simulations de différentes trajectoires de vis et analyse de la bioperformance d’ancrage selon la distribution et qualité osseuse.

Formation : B. Ing, génie mécanique, Université McGill (2021)
Courriel: ningxin.qiao@polymtl.ca

Sujet : Caractérisation et modélisation du rachis par imagerie radiographique bi-énergie pour améliorer la planification des chirurgies d’instrumentation avec vis pédiculaires
Directeur : Prof. Carl-Éric Aubin, Département de génie mécanique, Polytechnique Montréal
Co-directeur(s) : Prof. Isabelle Villemure, Département de génie mécanique, Polytechnique Montréal

Description : Les déformités complexes de la colonne vertébrale requièrent habituellement des interventions chirurgicales, comme le placement de vis dans l’os. Le risque de défaillance de vis pédiculaires est dû à plusieurs facteurs comme la géométrie de la vertèbre et les propriétés mécaniques du tissu osseux. Alors que les déformités complexes peuvent être analysés dans l’espace tridimensionnel, les modalités d’imagerie proposent des solutions pour reconstruire des modèles numériques du rachis humain spécifiques au patient. Bien que le CT scan, ou µCT scan, puissent être utiles pour modéliser les vertèbres avec des caractéristiques mécaniques, le risque à l’exposition de radiation ionisante pour les patients est très haut en plus du coût du test. Un nouveau système d’imagerie offre une fonctionnalité pour la prise d’images en mode double-énergie. Une modulation de l’énergie des détecteurs est transmise sur les tissus pour visuellement les séparer en deux : tissus mous et tissus osseux. Cette technologie permet alors de visualiser en haute résolution la densité osseuse de la colonne vertébrale et est comparable au QCT, avec l’avantage d’utiliser une très base dose sur le patient. Avec l’information de la distribution de la densité osseuse, il est possible de calculer des propriétés mécaniques de ces tissus à fin d’améliorer les modèles numériques du rachis existantes. Les résultats des placements de vis pédiculaires pourront être finalement améliorés et donneront une perspective différente lors des simulations de chirurgies orthopédiques.

L’objectif principal de ce projet est de développer un modèle de vertèbre en 3D spécifique au patient qui inclus les propriétés mécaniques des tissus osseux en utilisant la radiographique en double-énergie.

Formation : B. Ing., génie biomédical, Tecnologico de Monterrey (2017)
Bureau : Polytechnique Montréal, local A-629 / Centre de recherche du CHU Ste-Justine, local 1.9.96
Courriel: carolina.solorzano-barrera@polymtl.ca

Sujet : Développement d'une plateforme ex vivo 3D pour la quantification du micro-dommage, l'évaluation des patrons de déformation et l'évaluation des propriétés mécaniques d'échantillons d'os trabéculaire, avec l'aide de l'apprentissage profond.
Directeur : Prof. Isabelle Villemure, Département de génie mécanique, Polytechnique Montréal
Co-directeur(s) : Lama Seoud, Département de génie informatique et génie logiciel, Polytechnique Montréal

Description : Plus de 200 millions de personnes au monde souffrent d’ostéoporose, incluant environ 1 homme sur 5 ainsi qu’une femme sur 3.  Au Canada, environ 1.5 millions de personnes âgées de plus de 40 ans sont atteintes d’ostéoporose selon l'Enquête sur la santé dans les collectivités canadiennes de 2009.  Cette maladie métabolique se caractérise par une densité réduite des os et de la dégradation de l’architecture osseuse, les personnes affectées ont donc un risque plus élevé de fractures. Malheureusement, les connaissances actuelles n’aident pas à la détection prématurée de cette maladie. En effet, elle est dite silencieuse à cause de son absence de symptôme avant la fracture même de l’os qui peut avoir des conséquences beaucoup plus sévères chez les personnes âgées. Cependant, de nouvelles recherches sur l’os ont amenées à mieux comprendre les mécanismes de fractures. Par exemple, il a été démontré que l’accumulation de micro-dommages dans l’os mène à la réduction de ses propriétés mécaniques, comme le module d’élasticité. Voilà pourquoi l’étude de ceux-ci est considérée pertinente pour l’avancement des connaissances sur l’ostéoporose.

L’objectif principal de ce projet est de développer une plateforme ex vivo 3D permettant d’identifier en 3D les relations entre le micro-dommage, les patrons de déformation et les propriétés mécaniques de l’os sous chargement en compression.

Objectifs spécifiques:

O1) Développer une procédure pour imager des échantillons d’os trabéculaire à l’aide d’un nouveau système de microscopie par rayons X 3D (Zeiss-Xradia 520 Versa);

O2) Développer une procédure pour appliquer une compression sur un échantillon à l’intérieur du système d’imagerie puis caractériser leurs propriétés mécaniques (Fig.1);

O3) Développer une méthode pour la quantification du micro-dommage 3D, sans utilisation d’agent de contraste (Fig.2)  ;

O4) Développer un algorithme pour quantifier les patrons internes de déformation 3D à partir des images d’échantillons chargés (Fig.3);

O5) Identifier des relations entre le micro-dommage 3D, (les patrons de déformation 3D) et les propriétés mécaniques;

Figure 1. Deben test in situ système de test mécanique à l'interieur du Xradia de Zeiss.

Figure 2. Exemple de résultat attendu pour la segmentation de micro fissure par apprentissage profond

Figure 3. Patron de déformation interne obtenue à l'aide d'un logiciel de Digital Volume Correlation (DVC).

Formation : B.ing. mécanique, Université McGill (2019)
Bureau : Polytechnique Montréal, local A630.5
Courriel: rodrigue.caron@polymtl.ca

Sujet : Biomécanique cellulaire in-situ sous une compression contrôlée en contrainte, de type statique vs. dynamique, des plaques de croissance
Directeur : Prof. Isabelle Villemure, Génie mécanique, Polytechnique Montréal
Co-directeurs : Prof. Carl-Éric Aubin, Génie mécanique, Polytechnique Montréal; Dre Florina Moldovan, Faculté de médecine dentaire, Université de Montréal

Description : Une croissance anormale peut conduire à différentes pathologies (ie scoliose idiopathique de l’adolescent) causant des déformations qui altèrent la fonction biomécanique du squelette. La croissance en longueur des os s’effectue grâce à un processus de synthèse et d’ossification au niveau du tissu cartilagineux de la plaque de croissance, où les chondrocytes en sont un facteur morphologique clé. Il a été démontré que les chargements mécaniques influencent la croissance osseuse et la réduction de contraintes en compression favorise la croissance (ce qui est connu comme la loi de Hueter-Volkmann). Des traiements innovants, tels que les implants sans fusion et à modulation de croissance, sont basés sur ce principe exploitant le potentiel de croissance restant du patient pour appliquer des chargements aux plaques de croissance afin de renverser ou du moins arrêter la progression de la déformation tout en maintenant la mobilité des articulations.

Objectif principal : L’objectif de ce projet consiste à investiguer la réponse viscoélastique in situ des chondrocytes soumis à différentes conditions de chargement statique vs. dynamique, en utilisant une approche contrôlant la contrainte (vs. déformation) afin de mieux comprendre les effets au niveau cellulaire des chargements mécaniques sur la plaque de croissance.

Formation : Ph.D. en Sciences et Génie des Matériaux, University of California, Berkeley (2011)

Bureau : Polytechnique Montréal / Centre de recherche du CHU Ste-Justine, local 4729
Téléphone : 514-345-4931 # 4038
Courriel : elizabeth-ann.zimmermann@polymtl.ca

Sujet : Étude biomécanique par éléments finis de l’effet de la déformation sur le risque de fracture chez les enfants atteints d’ostéogénèse imparfaite
Directeur : Prof. Carl-Éric Aubin, Génie mécanique, Polytechnique Montréal
Co-directeurs : Prof. Isabelle Villemure, Génie mécanique, Polytechnique Montréal; Dr Frank Rauch, pédiatre, Hôpital des Shriners de Montréal

Description : L’ostéogénèse imparfaite (OI) est la maladie fragilisant les os la plus courante chez les nouveau-nés et affecte de 1 à 2 individus par 20000 naissances. Chez les patients atteints d’OI de sévérité modérée (type IV), les symptômes cliniques de la maladie sont une faible masse osseuse et la présence fréquente de difformités des membres inférieurs pouvant mener à des fractures de la diaphyse. L’administration d’un traitement médicamenteux (pamidronate) permet de rétablir une masse osseuse plus conforme à la normale, et la correction chirurgicale des difformités par l’insertion d’une tige intra-médullaire est possible. Toutefois, il n’existe aucune méthode objective pour évaluer le niveau de difformité susceptible de mener à une fracture, et le chirurgien base sa décision chirurgicale sur son expérience.

Ce projet en biomécanique numérique a donc pour objectif de développer un outil facilitant l’identification des patients requérant une prise en charge chirurgicale.

O1) Mettre au point un modèle par éléments finis semi-paramétrique et personnalisable (géométrie et épaisseur corticale spécifiques au patient) à partir des examens cliniques disponibles;
O2) Caractériser les propriétés mécaniques de l’os OI, particulièrement en ce qui a trait à la résistance à la propagation defissures;
O3) Évaluer le risque de fracture en fonction de la difformité particulière à chaque patient;
O4) Établir une base de données constituée de cas cliniques réels et de cas virtuels plausibles afin de mettre au point un abaque des risques de fracture;
O5) Établir la validité du modèle en comparant les résultats avec les épisodes de fractures subies par les patients de la cohorte suivie aux Shriners.

Formation : B. Ing. Génie mécanique, Polytechnique Montréal (2004); Maîtrise. Génie biomédical, biomécanique, Polytechnique Montréal (2008); Ph.D. Génie biomédical, École de technologie supérieure (2012)

Bureau : Polytechnique Montréal / Centre de recherche du CHU Ste-Justine, local 4726
Courriel : christiane.caouette@polymtl.ca

Sujet : Caractérisation histomorphométrique et biomécanique de l'os nouvellement formé suite à une modulation de croissance par chargements statique et dynamique
Directeur : Prof. Isabelle Villemure, Génie mécanique, Polytechnique Montréal
Co-directeur : Prof. Carl-Éric Aubin, Génie mécanique, Polytechnique Montréal
Collaboratrice : Dr. Florina Moldovan, Centre de recherche du CHU Ste-Justine

Description : Plusieurs pathologies infantiles, juvéniles et adolescentes, telles que la scoliose idiopathique ou les maladies neuromusculaires, sont associées à une croissance anormale ou asymétrique des plaques de croissance au niveau vertébral. L’étiologie de la scoliose idiopathique reste indéterminée mais il est cliniquement reconnu que l’environnement mécanique joue un rôle essentiel dans la progression de cette maladie. De nouvelles générations d’implants sans fusion utilisent la modulation de croissance pour corriger la courbure vertébrale en appliquant localement des contraintes asymétriques sur les plaques de croissance. Cependant, leur design est limité par la connaissance insuffisante des propriétés et du comportement mécanobiologique de la plaque de croissance et du tissu osseux ainsi nouvellement formé. Les caractérisations histomorphométrique et biomécanique de l’effet de compressions statique et dynamique sur la croissance osseuse et sur la qualité de l’os nouvellement formé permettront de mieux comprendre et de calibrer ces nouvelles générations de traitement.

Les objectifs spécifiques du projet sont les suivants :

O1) Caractériser puis comparer le taux de croissance et l’histomorphométrie du tissu osseux vertébral nouvellement formé suite à une croissance modulée par compression statique et dynamique ;
O2) Évaluer, par techniques de corrélation de texture expérimentale et analyse inverse, puis comparer les propriétés mécaniques du tissu osseux vertébral nouvellement formé suite à une croissance modulée par compression statique et dynamique.

Formation : PhD en Sciences et Génie des Matériaux, Mines ParisTech (2012)

Bureau : Polytechnique Montréal / Centre de recherche du CHU Ste-Justine
Courriel : aurelie.benoit@polymtl.ca

Sujet : Development and preliminary design of an implant based on optimized growth modulation for the minimally invasive treatment of adolescent idiopathic scoliosis.
Directeur : Prof. Carl-Éric Aubin, Génie mécanique, Polytechnique Montréal
Co-directeur : Prof. Isabelle Villemure, Génie mécanique, Polytechnique Montréal; Dr Stefan Parent, Centre de recherche du CHU Ste-Justine

Formation : PhD génie biomédical, Polytechnique Montréal
Courriel : samira.amini@polymtl.ca

Sujet : Étude biomécanique de la jonction sacro-iliaque par approche hybride numérique et expérimentale
Directeur : Carl-Éric Aubin
Co-directeur : Pierre-Jean Arnoux, Isabelle Villemure

Description : La jonction sacro-iliaque (JSI) est une articulation bilatérale du pelvis assurant la transmission de charges entre le haut du corps et les membres inférieurs. Elle est caractérisée par une faible mobilité combinant des mouvements de rotation et de translation dans le plan sagittal. Il est estimé que la JSI est la source de douleurs de 15 à 30% des patients souffrant de maux au bas du dos. La prévalence peut atteindre 35% chez les patients ayant subi une fusion lombaire. Les causes les plus fréquentes sont une douleur persistante, une récurrence des symptômes ou un positionnement d’implants entrainant de la douleur. À court terme, les implants procurent une stabilisation mécanique de l’articulation permettant un processus d’ostéointégration et menant, à long terme, à une fusion osseuse. À ce jour, il n’existe pas de consensus sur la configuration d’implants à privilégier pour favoriser une fusion osseuse. La performance des dispositifs de fusion est évaluée en fonction de la réduction des déplacements de l’articulation, mais le niveau de stabilisation nécessaire à la complétion d’une fusion osseuse de la JSI n’est pas établi. L'effet du positionnement des implants sur la stabilisation de la JSI est très dépendant de l’approche chirurgicale et du système d’implants utilisés et la majorité des études utilisent une approche latérale avec des implants ayant une section triangulaire.

L’objectif général de ce projet de thèse est de caractériser la biomécanique de la JSI, avec et sans implants, et de développer un modèle numérique permettant d’étudier les dispositifs de fusion de la JSI.

Les objectifs spécifiques sont:

O1) Caractériser expérimentalement la mobilité de la JSI, avec et sans implants, sous des charges fonctionnelles pertinentes.

O2) Raffiner, calibrer et valider un modèle numérique par éléments finis existant du pelvis, en focalisant sur la JSI.

O3) Étudier l’influence de paramètres relatifs au patient et de paramètres d’instrumentation sur les déplacements intra-articulaires de la JSI et la stabilisation biomécanique de la JSI.

Formation : PhD en Génie Biomédical, Polytechnique Montreal / Aix-Marseille Université (2020); B.A.Sc. en Génie mécanique biomédical, University of Ottawa (2016)

Sujet : In-Situ Mechanical Properties Identification of Composite Materials Using Inverse Methods Based on Full-Field Measurements
Directeur: Martin Lévesque
Co-directeur : Isabelle Villemure

Description: Des essais homogènes macroscopiques, tels que les tests classiques de tension et de compression, peuvent être réalisés pour obtenir une mesure des propriétés moyennes d’un composite donné. Cependant, ces tests ne permettent pas d’identifier les paramètres mécaniques in situ des phases constitutives ou encore de l’interface d’adhésion entre la matrice et les fibres. Grâce aux avancées récentes au niveau des appareils optiques et des technologies d’imagerie, plusieurs techniques de mesures en champ complet telle que la Corrélation d’Images Numériques (CIN) et la Corrélation de Volumes Numériques (CVN) ont fait leur apparition. Ces techniques permettent la quantification des champs de déplacements/déformations en 2D ou 3D sur la surface ou même à l’intérieur d’un matériau opaque soumis à des chargements externes. La disponibilité de telles informations a permis le développement de différentes méthodes inverses d’identification de paramètres des matériaux. Parmi ces dernières, l’Actualisation du Modèle Éléments Finis (AMÉF) et la Méthode des Champs Virtuels (MCV) ont été grandement exploitées. L’utilisation combinée d’une technique de mesure en champ complet et d’une méthode d’identification inverse constitue une stratégie très prometteuse pour identifier simultanément plusieurs propriétés mécaniques locales.

L'objectif général de ce projet de recherche était de développer des approches d'identification inverse basées sur des mesures plein champ en 2D et 3D, qui sont à la fois rapides et fiables contre les effets du bruit.

O1) Développer et valider une approche améliorée de mise à jour des modèles d'éléments finis.

O2) Développer et valider une méthode améliorée de champs virtuels en tant qu'algorithme efficace en termes de précision et de coûts de calcul.

O3) Étendre à la 3D la méthode des champs virtuels et la méthode des champs virtuels régularisés.

Formation : PhD en Génie Mécanique,Polytechnique Montreal (2014); MSc. en Génie Mécanique, University of Mazandaran (2007); B. en Sciences en Génie mécanique, University of Tabriz (2004)

Sujet : Effets à court et à long terme de charges d'impact appliquées in vivo pendant la puberté sur la croissance, la morphométrie et la biomécanique osseuse
Directeur : Prof. Isabelle Villemure, Génie mécanique, Polytechnique Montréal
Co-directeur : Dre Florina Moldovan, Faculté de médecine dentaire, Université de Montréal

Description : Le squelette en croissance répond davantage à l’exercice, et l’activité physique a montré ses bénéfices pour le développement du squelette. Cependant, les forces mécaniques soumises au squelette varient en fonction du type d’activité physique, avec des sports à impacts élevés (gymnastique, course) produisant les plus grandes forces de réaction au sol, comparé à des sports à faibles impacts (natation). Durant la croissance pubertaire, le statut nutritionnel et les entrainements à intensité élevée sont les deux facteurs principaux influençant la croissance longitudinale des os. Peu d’études cliniques et animales ont investigué les effets des chargements à impact sur la croissance des adolescents, mais les résultats sont contradictoires.

Dans les quelques études cliniques publiées, il est difficile de séparer les facteurs nutrionnel et mécanique, souvent décrits en termes d’heures par semaine et ne donnant pas l’intensité (répétition, chargement maximal, fréquence) et par conséquent ne concluant pas sur l’effet isolé des chargements à impact. Dans les études animales, les effets de l’exercice (principalement la course) sur la croissance des os longs sont également contradictoires, résultant à aucun changement, un changement minimal ou une réduction significative de croissance mesurées comme des différences de longueur des os. C’est pourquoi, il n’a pas été établi que les athlètes adolescents réalisant des entrainements avec un impact élevé ont un délai/perte de croissance osseuse.

L’objectif principal de cette recherche consiste à évaluer les effets in vivo des chargements faibles et élevés durant la puberté sur la croissance osseuse (à maturité squelettique) ainsi que sur la qualité osseuse et la résistance mécanique (à l’âge adulte) en utilisant un modèle animal. Ce projet comprend cinq objectifs spécifiques :

O1) Dessiner et fabriquer un appareil de chargement contrôlé en déformation in vivo;
O2) Implémenter quatre groupes d’animaux : contrôle, sham, faible impact (LI), impact élevé (HI);
O3) Développer et exploiter une approche de modélisation par éléments finis au microCT (µCT) afin d’évaluer les propriétés mécaniques de l’os long in vivo;
O4) Pour tous les groupes, évaluer les os longs et la morphométrie des os cortical et trabéculaire in vivo en utilisant les techniques d’imagerie au µCT;
O5) Comparer la morphométrie osseuse et les paramètres mécaniques entre les différents groupes à l’aide d’outils statistiques.

Formation : BSc. Civil Engineering, Bangladesh University of Engineering and Technology (2011); MSc. Civil Engineering, University of Alberta (2013)

Bureau : Polytechnique Montréal / Centre de recherche du CHU Ste-Justine, local 4729
Téléphone : 514-345-4931 # 4038
Courriel : tanvir.mustafy@polymtl.ca

Sujet : Conception et évaluation d'un prototype de modulation cyclique de la croissance des vertèbres pour le traitement sans fusion de la scoliose idiopathique de l'adolescent
Directeur : Prof. Carl-Eric Aubin, Génie mécanique, Polytechnique Montréal
Co-directeurs : Prof. Isabelle Villemure, Génie mécanique, Polytechnique Montréal; Dr. Stefan Parent, Centre de recherche du CHU Ste-Justine

Description : Les scolioses idiopathiques juvéniles et adolescentes les plus sévères sont traitées par des moyens chirurgicaux. Ces derniers sont très lourds et préjudiciables à la croissance et à la mobilité dorsale. Des implants dits « sans fusion » (i.e. : ne nécessitant pas de fusion entre les vertèbres ou de retrait du disque intervertébral) sont alors apparus. Pour certains d’entre eux, il s’agit de comprimer unilatéralement les plaques de croissance des vertèbres créant une asymétrie de croissance locale sur chaque vertèbre. Avec le temps, la courbure scoliotique globale se corrige progressivement. Les résultats obtenus sur l’humain sont prometteurs mais nous n’avons que peu de recul quant aux effets à long terme. D’ailleurs, des études sur les rats tendent à montrer que la santé des disques intervertébraux et des plaques de croissance sont altérés par la compression statique de l’implant. L’utilisation d’une compression cyclique démontre, in vivo, sur des modèles animaux (rats), que les tissus mous (plaque de croissance, disque intervertébral) sont mieux préservés qu’avec une compression statique. Ce résultat n’a pas encore été démontré sur un modèle animal anatomiquement proche de l’humain pédiatrique.

L’objectif de ce projet de recherche est de développer un nouvel implant sans fusion destiné aux porcs qui préserve les tissus mous en utilisant une compression appliquée cycliquement. Les trois objectifs spécifiquesde ce projet sont les suivants :

O1) Développer un prototype d’implant automatisé permettant d’appliquer une compression cyclique sur un rachis porcin.
O2-1) Caractériser expérimentalement les effets biomécaniques du prototype (force et pression appliqués) sur des modèles de rachis synthétiques, cadavériques et vivants du porc.
O2–2) Évaluer expérimentalement les effets physiologiques de l’implant in vivo sur des porcs.

Formation : B.Ing. Génie mécanique, Université de Technologie de Belfort-Montbéliard, UTBM, France (2010); M.Sc.A Génie biomédical, Polytechnique Montréal (2012)

Bureau : Polytechnique Montréal / Centre de recherche du CHU Ste-Justine, local 4726
Courriel : viviane.lalande@polymtl.ca

Sujet : Effets des paramètres de chargement dynamique sur la biologie et la biomécanique d’explants de plaque de croissance modulés mécaniquement in vitro
Directeur : Prof. Isabelle Villemure, Génie mécanique, Polytechnique Montréal
Co-directeurs : Dre Florina Moldovan, Faculté de médecine dentaire, Université de Montréal; Dr. Stefan Parent, Centre de recherche du CHU Ste-Justine

Description : La croissance longitudinale des os et des vertèbres s’opère au droit des plaques de croissance cartilagineuses qui se situent à l’extrémité des os. Le processus de croissance implique la différenciation spatio-temporelle synchronisée des chondrocytes au sein des trois zones histologiques de plaque de croissance. L’évidence clinique démontre que l’environnement mécanique de la plaque de croissance et de ses chondrocytes peut affecter le taux de croissance des os. Ce processus de modulation mécanique de la croissance est un facteur clé dans la progression de déformations squelettiques comme la scoliose idiopathique adolescente et dans le développement de nouveaux traitements sans fusion pour la correction précoce des scolioses modérées. La réponse mécanobiologique de la plaque de croissance suite à une compression statique/dynamique n’est cependant pas clairement déterminée.

Ce projet de mécanobiologie vise à caractériser in vitro les effets des paramètres de chargement dynamique sur les réponses mécaniques et biologiques de la plaque de croissance. Les objectifs spécifiques sont :

O1) Implémenter 4 séries d’explants de plaques de croissance : (a)normal, (b)contrôle, (c)chargement statique (3groupes), (d)chargement dynamique (12 groupes);
O2) Caractériser, pour tous les explants, les propriétés mécaniques en évaluant les patrons de déformations 2D obtenus par une méthode de «corrélation de la texture»;
O3) Caractériser les réponses biologiques des explants en évaluant les contenus biochimiques, l’histomorphometrie tissulaire ainsi que la viabilité cellulaire;
O4) Établir les relations entre les réponses biologiques et mécaniques des explants modulées avec les différents paramètres statiques ou dynamiques.

Formation : B. Ing. Génie biomédical, biomécanique, Polytechnique de Téhéran (2011)

Bureau : Polytechnique Montréal / Centre de recherche du CHU Ste-Justine, local 4729
Téléphone : 514-345-4931 # 4038
Courriel : rosa.kaviani@polymtl.ca

Sujet : Étude in vivo des paramètres optimaux de chargements mécaniques pour la modulation de croissance avec le modèle du rat
Directeur : Prof. Isabelle Villemure, Génie mécanique, Polytechnique Montréal
Co-directeurs : Dr. Guy Grimard, Centre de recherche du CHU Ste-Justine; Dr. Florina Moldovan, Centre de recherche du CHU Ste-Justine

Description : La croissance longitudinale s’effectue au droit des plaques de croissance, tissus cartilagineux situés aux extrémités des os longs et des vertèbres. L’environnement mécanique (ou chargements mécaniques) est impliqué dans la progression de maladies musculosquelettiques progressives telles la scoliose, les déformations des membres inférieurs, ..etc. chez le jeune enfant et l’adolescent. Ce processus fait référence à la modulation mécanique de la croissance. En parallèle, ce même processus de modulation mécanique de croissance peut être utilisé dans les traitements de ces pathologies.

L’objectif général consiste à déterminer in vivo, à l’aide d’un modèle animal, la modulation de croissance osseuse donnant une réduction de croissance contrôlée et la moins dommageable (i.e. préservant la plaque de croissance) suite à l’application de différents profils de compressions statiques et dynamiques. Les trois objectifs spécifiquesde ce projet sont les suivants :

O1) Implémenter six groupes d’animaux (contrôle, sham, statique, 3 dynamiques) avec différents paramètres de chargement dynamique (fréquence, amplitude) et suite à un retrait du chargement;
O2) Quantifier les taux de croissance et les caractéristiques histomorphométriques (taille, arrangement cellulaire) de chacune des trois zones de la plaque de croissance suite au chargement, ainsi que mettre au point de nouvelles analyses sur l’intégrité du disque intervertébral, la prolifération cellulaire et la minéralisation;
O3) Réaliser les analyses comparatives des effets de la fréquence et de l’amplitude de chargement (dynamique) sur la modulation de croissance ainsi que de la reprise de croissance après retrait du chargement.

Formation : Graduée en ingénierie de l'École Nationale Supérieure des Mines de Saint-Étienne, France (2011)

Bureau : Polytechnique Montréal, face au local A-111.1 / Centre de recherche du CHU Ste-Justine, local 4729
Téléphone : 514-345-4931 # 4038
Courriel : anne-laure.menard@polymtl.ca

Sujet : Développement d'un outil de mesures de champ de déplacements/déformations tridimensionnel par micro-tomographie à rayons X.
Directeur : Prof. Isabelle Villemure, Génie mécanique, Polytechnique Montréal
Co-directeur : Prof. Martin Lévesque, Génie mécanique, Polytechnique Montréal
Collaborateur : Prof. Raymond Panneton, Génie mécanique, Université de Sherbrooke

Description : La modélisation de la réponse des matériaux à des sollicitations externes permet d’innover dans le développement de techniques chirurgicales minimalement invasives, ce qui nécessite pouvoir mesurer, d’une certaine manière, les champs de déplacements des matériaux sous chargement. Certaines techniques optiques de mesures de champ, comme la Corrélation d’Images Digitales (CID) permettent de mesurer les déplacements ou les déformations en plusieurs points d’un plan. Il est par exemple possible de mesurer les perturbations locales du champ des déplacements induites dans un matériau hétérogène ou d’effectuer des mesures dans des matériaux pour lesquels certaines caractéristiques ne sont observables qu’in-situ. Par exemple, l’interaction cellule/matrice extracellulaire d’une plaque de croissance (tissu responsable de la croissance en longueur des os) varie à travers l’épaisseur du tissu selon trois zones distinctes. Les techniques usuelles de CID permettent de mesurer le champ des déplacements sur des surfaces. Or, des techniques d’imagerie comme la micro-tomographie à rayons X ou la microscopie confocale au laser permettent de générer des images tridimensionnelles (3D) de la microstructure de matériaux ou de tissus vivants, permettant ainsi de voir à l’intérieur de certains matériaux de manière non destructive La μCT à rayons X permet d’observer à l’intérieur des matériaux qui sont opaques, par opposition à la technique qui consiste à utiliser un microscope confocal où l’échantillon doit laisser passer la lumière blanche. Ces techniques d’imagerie 3D ouvrent ainsi la voie à une génération d’outils permettant des mesures des champs de déplacements tridimensionnels à l’intérieur des matériaux. Ce programme de recherche vise à développer un outil de mesure de champ de déplacements 3D à partir d’images 3D numériques obtenues par μCT en utilisant la technique de Corrélation de Volumes Digitales (CVD).

Formation : B.Sc. Génie mécanique, Université de Technologie d'Isfahan, Isfahan, Iran. M.Sc. Génie mécanique, Université de Technologie d'Amirkabir (Téhéran Polytechnique), Iran

Courriel : farhad.mortazavi@polymtl.ca

Sujet : Relaxation de contraintes de la plaque de croissance sous compression uniforme : relation entre la réponse mécanique, la composition et la structure de la matrice extracellulaire.
Directeur : Prof. Isabelle Villemure, Génie mécanique, Polytechnique Montréal
Co-directeur : Prof. Caroline Hoemann, Génie chimique, Polytechnique Montréal

Description : La croissance longitudinale des os s’opère au droit des plaques de croissance situées à leurs extrémités. Les morphologie et composition hétérogènes de la plaque de croissance sont subdivisées histologiquement en trois zones: réserve, proliférative et hypertrophique. L’évidence clinique démontre que les chargements sont essentiels au développement normal des os. Cependant, les compressions excessives causent des anomalies de croissance ou des conditions pathologiques progressives du système musculosquelettique comme la scoliose idiopathique adolescente. Quelques progrès ont été réalisés en mécanique tissulaire des plaques de croissance. L’état actuel des connaissances sur la régulation mécanique de la croissance osseuse ne permet cependant pas d’inférer sur le niveau de déformation subie à l’intérieur du tissu au niveau des chondrocytes et de la matrice extracellulaire. Ces connaissances fondamentales sont essentielles pour identifier les mécanismes et structures biologiques impliqués dans la régulation mécanique de la croissance.

Ce projet en mécanique tissulaire et cellulaire porte sur l’effet des chargements mécaniques sur le niveau des déformations subies in situ par les plaques de croissance, les chondrocytes et la matrice extracellulaire. Il comprend cinq objectifs:

O1) caractériser la morphologie de la plaque de croissance porcine en 3D au niveau cellulaire ainsi que niveau tissulaire par la microscopie confocale à balayage laser et les techniques de marquage fluorescent.
O2) caractériser les déformations en 2D et en 3D in situ aux niveaux tissulaire, intercellulaire ainsi que au niveau cellulaire pour les trois zones de la plaque de croissance en utilisant la microscopie confocale à balayage laser combinée avec un appareil de chargement, ainsi que l'analyse d'image numérique en utilisant la méthode de «corrélation de la texture»;
O3) évaluer le contenu biochimique (eau, collagène, GAG et l'ADN) des trois zones de la plaque de croissance porcine à l’aide d’essais biochimiques;
O4) définir les relations entre des caractéristiques de déformation et des caractéristiques histologiques pour les trois zones de la plaque de croissance.
O5) définir les relations entre des caractéristiques de déformation et le contenu biochimique pour les trois zones de la plaque de croissance.

Formation : B. Ing. Génie mécanique, Université de Shiraz, Iran (2003). Maîtrise, Génie biomédical, biomécanique, Polytechnique de Téhéran, Iran (2007)

Courriel : samira.amini@polymtl.ca

Sujet : Validation d’un fixateur extramédullaire pour l’ostéogenèse par distraction chez les patients pédiatriques
Directeur : Isabelle Villemure

Description : La distraction osseuse est une procédure chirurgicale employée pour corriger l’asymétrie de patients atteints d’une inégalité de longueur des membres inférieurs. Cette technique consiste en l’espacement graduel de segments osseux, suite à une corticotomie de l’os à allonger. Entre autres, le fixateur externe de type Iizarov est le plus utilisé en orthopédie pédiatrique. Cependant, il est encombrant et son aspect percutané entraîne des infections et des cicatrisations excessives. L’utilisation de fixateur intramédullaire remédie à ce type de problème, mais seulement chez l’adulte. En effet, son utilisation chez les enfants n’est pas possible car son installation endommagerait les plaques épiphysaires, ce qui altérerait le processus de croissance de l’enfant. Il n’existe actuellement pas de solution commercialisée optimale pour les patients pédiatriques souffrant d’une inégalité de longueur des membres inférieurs. Pour répondre à ce besoin, un fixateur interne extramédullaire composé de plaques télescopiques a été conçu dans le laboratoire de Prof. Isabelle Villemure. Totalement implantable grâce à son mécanisme activé magnétiquement à distance, ce dispositif préserve les plaques épiphysaires et le périoste par son système de fixation à l’aide de vis de verrouillage sur la surface externe de l’os. Par le biais d’un test de distraction, simulant les forces de résistance des tissus, la première version du dispositif a pu générer une force de distraction jusqu’à 735N, ce qui est supérieur à la force maximale de résistance des tissus pour les allongements osseux pédiatriques (673N). Cependant, cette version n’est pas adaptée pour une étude in vivo à cause de sa taille, de la présence de colle non biocompatible et de la présence d’interstices fragilisant le dispositif face à une potentielle infiltration de liquide.

L’objectif de ce projet est de concevoir une nouvelle version du fixateur interne extramédullaire à l’étude adaptée pour un test in vivo. Pour assurer la réalisation de l’objectif général, les objectifs spécifiques suivants ont été complétés :

O1) Créer et fabriquer un nouveau prototype adapté à une étude in vivo ;

O2) Évaluer le nouveau prototype sous distraction avec chargement ;

O3) Établir une méthode de stérilisation et la tester ;

O4) Adapter le design du fixateur en fonction des éventuels échecs rencontrés.

Formation : Cours intensif de premier cycle en physique et sciences de l'ingénierie, Lycée Henri Loritz (2016); M.Eng. en Génie Biomédical, Grenoble INP Phelma (2020),; MSc.A. en Génie Biomedical, Polytechnique Montreal (2020)

Sujet: Caractérisation biomécanique expérimentale du tissu pulmonaire avec et sans agrafes afin de caractériser le phénomène de fuite d’air apparaissant à la suite d’une résection pulmonaire.
Directeur : Isabelle Villemure
Co-directeurs : Frédérick Gosselin, George Rakovich

Description : Pour traiter les patients atteints d'un cancer du poumon, les chirurgiens thoraciques retirent la tumeur cancéreuse à l’aide d’une agrafeuse chirurgicale. À la suite de cette opération de résection pulmonaire, 28-60% des patients développent une fuite d’air. Cette fuite engendre une augmentation de la durée d’hospitalisation et une augmentation des coûts de soins de santé. Au niveau clinique, la résection des lobes supérieurs entraine des fuites plus conséquentes que la résection des lobes inférieurs. Une seule étude numérique corrobore ce constat clinique et l’explique comme résultant d’une augmentation de la contrainte sur le tissu pulmonaire restant post-résection, qui doit s’adapter à la forme en ogive de la cage thoracique. Très peu d’études se sont intéressées à étudier la cause de ces fuites, cependant quelques études expérimentales déclarent que la fuite se produirait aux extrémités de la ligne d’agrafe et qu’elle serait de nature biomécanique.

L'objectif de ce projet est de caractériser expérimentalement la réponse biomécanique du tissu pulmonaire porcin, avec et sans agrafes, afin de caractériser le phénomène de fuites d’air apparaissant à la suite d’une résection pulmonaire. Trois objectifs spécifiques sont déterminés pour permettre la réalisation de l’objectif général :

O1) Caractériser expérimentalement la fuite d’air, i.e. l’origine de la fuite et la portion de la ligne d’agrafes où se déploie la fuite.

O2) Caractériser expérimentalement à quelle pression pulmonaire débute la fuite d’air ainsi que la variation de compliance pulmonaire dans les conditions physiologiques de ventilation en fonction de l’état du poumon pour évaluer les conséquences de la fuite d’air.

O3) Caractériser expérimentalement les patrons de déformation d’un tissu pulmonaire agrafé en comparaison avec un tissu pulmonaire non agrafé lorsque les poumons sont soumis à la ventilation mécanique simulée ex vivo pour émettre des hypothèses en lien avec l’apparition de la fuite d’air.

Formation : MSc. en Génie Biomédical, Polytechnique Montreal (2020); M.Eng Ingénierie, National Graduate Engineering and Management School, Mines Saint-Etienne (2020)

Sujet: Développement d’une modélisation par éléments finis pour caractérisation non destructive de la biomécanique osseuse à partir d’images micro-CT
Directeur : Isabelle Villemure

Description : De nombreuses pathologies affectant les os peuvent détériorer leurs propriétés mécaniques, augmentant ainsi leur risque de fracture. Afin de prévenir ces risques inapparents, de nombreuses études visent à caractériser la biomécanique osseuse. Plusieurs approches permettent d’évaluer le comportement et les paramètres mécaniques des tissus osseux. Une de ces approches consiste à combiner les techniques d’imagerie médicale, entre autres la microtomographie (micro-CT), et de modélisation par éléments finis (ÉF) afin d’évaluer, de manière non destructive, les propriétés mécaniques de sujets vivants au cours du temps. De telles approches analytiques ont été développées pour prédire le comportement biomécanique de différents os, provenant de divers modèles animaux et soumis à des cas de chargements variés. Cependant, le développement de ces modèles est spécifique au contexte de l’étude et au spécimen étudié. Une étude expérimentale visant à caractériser les effets de chargements d’impact appliqués à des tibiae de rats en période de croissance a été réalisée dans le cadre d’un projet complémentaire. Parmi les effets à analyser, on retrouve l’évaluation des changements dans la résistance mécanique des tibiae pendant cette période de chargement.

L'objectif principal de ce projet est de développer et de vérifier un outil de modélisation par éléments finis combiné à l'imagerie par micro-CT permettant de caractériser la réponse d’un tissu osseux soumis à un chargement mécanique.

Trois objectifs spécifiques ont été établis dans le but d’atteindre l’objectif principal de ce projet :

O1) Développer un modèle par éléments finis de tibiae de rats, préalablement imagés par un appareil microtomographique;

O2) Calibrer et vérifier le MÉF préalablement conçu à partir de tests expérimentaux en flexion sur les tibiae;

O3) Exploiter ce MÉF afin d’évaluer la biomécanique de différents groupes expérimentaux de tibiae de rats préalablement chargés mécaniquement.

Formation : Double Diplôme en Génie Mécanique, Arts et Métiers ParisTech (2018); MSc.A. en Génie Mécanique, Polytechnique Montreal (2018)

Sujet : Design and validation of a remote-controlled internal lengthening plate for distraction osteogenesis in pediatric patients
Directeur: Isabelle Villemure

Description: L’ostéogenèse par distraction est une technique couramment utilisée afin d’allonger les os longs chez les patients atteints d’une difformité osseuse dans un membre. Ce procédé chirurgical consiste à exécuter une ostéotomie partielle au niveau de la diaphyse de l’os et à séparer graduellement les deux morceaux à l’aide d’un fixateur extensible, qui maintient les deux segments osseux vis-à-vis l’un l’autre. Le fixateur le plus répandu est l’appareil Ilizarov qui, malgré son succès dans l’ostéogenèse par distraction, peut causer des infections ou de la cicatrisation excessive au niveau des broches de fixation. L’introduction des fixateurs télescopiques intramédullaires, tel le PRECICE, a résolu ces complications chez les patients adultes. Cependant, son implantation est impossible chez les patients pédiatriques.

L'objectif du projet est de concevoir un dispositif extramédullaire implantable télécommandé pour les procédures d'allongement des membres chez les patients pédiatriques. Le dispositif doit être entièrement programmable pour éviter les problèmes de conformité avec le patient.

Pour atteindre l'objectif principal du projet, les cinq objectifs spécifiques suivants ont été réalisés :

O1) Établir les spécifications et les contraintes de conception du dispositif ;

O2) Générer des options de conception possibles et choisir une option en fonction des spécifications et des contraintes de l'appareil et les contraintes ;

O3) Créer un modèle 3D pour le dispositif en utilisant un logiciel de modélisation ;

O4) Fabriquer un prototype fonctionnel basé sur le modèle 3D généré ;

O5) Réaliser une validation ex vivo de la performance de distraction du dispositif sur des os synthétiques.

Formation : B. Sciences en Génie Mécanique, University of Ottawa (2014); MASc. en Génie Biomédical, Polytechnique Montréal (2018)

Sujet : Analyse histomorphométrique de la colonne vertébrale porcine instrumentée avec une agrafe intravertébral
Directeur : Isabelle Villemure
Co-directeur : Carl-Éric Aubin

Description : La scoliose est une déformation de la colonne vertébrale dans les trois plans de l’espace dont la forme la plus courante est la scoliose idiopathique adolescente (SIA). Selon l’amplitude de la déformation initiale et du potentiel de croissance restant, la déformation peut progresser et causer des problèmes vitaux, au niveau du système respiratoire, par exemple. Le traitement de la SIA vise à empêcher la progression de la courbure et dépend, entre autres, du degré de la déformation initiale. Les courbures de plus de 45º sont sujettes à une chirurgie correctrice avec une instrumentation rigide, généralement combinée à une fusion vertébrale. Cette chirurgie est très invasive et inclut plusieurs risques et complications chez ces jeunes patients. Par conséquent, des nouvelles approches, se basant principalement sur la modulation de croissance (ou loi de Hueter-Volkmann), sont actuellement en développement. Un exemple de ces nouvelles approches a été développé auparavant. Il s’agit d’une agrafe intravertébrale exploitant le potentiel de croissance vertébral et agissant simultanément sur les deux plaques de croissance de chaque vertèbre. Cet implant a été testé dans un modèle porcin avec une approche inverse. Les résultats de cette étude ont montré que l’implant a réussi l’induction d’une scoliose chez les animaux expérimentaux. Néanmoins, les effets locaux sur les tissus entourant l’implant restent à caractériser.

L'objectif de ce projet vise à caractériser les effets locaux de cette nouvelle agrafe intravertébrale à partir du matériel obtenu expérimentalement, pour mieux comprendre le mode d’action de cette instrumentation.

Afin d’atteindre l’objectif général, deux objectifs spécifiques ont été déterminés comme suit :

O1) Caractériser les effets locaux de l'implant sur le taux de croissance vertébral, et l'histomorphométrie des plaques de croissance

O2) Évaluer la dégénérescence des disques intervertébraux instrumentés avec cette agrafe.

Formation : B. Sciences en Génie Biomédical, Universidad de Antioquia (2016); MASc. en Génie Biomédical, Polytechnique Montreal (2018)

Sujet : Conception et fabrication d’un implant dynamique pour le traitement précoce des scolioses modérées
Directeur : Prof. Isabelle Villemure, Génie mécanique, Polytechnique Montréal
Co-directeurs : Prof. Carl-Éric Aubin, Génie mécanique, Polytechnique Montréal; Dr Stefan Parent, Centre de recherche du CHU Ste-Justine

Description : La scoliose idiopathique adolescente est une déformation 3D du rachis, affectant 1-3% des adolescents. Les traitements sans fusion du rachis scoliotique, basés sur la modulation mécanique de la croissance vertébrale, ont récemment montré des progrès encourageants dans le traitement précoce des scolioses modérées. Une étude récente a montré que les charges dynamiques sont aussi efficaces mais moins dommageables pour la plaque de croissance comparativement aux charges statiques. Il est proposé d'exploiter ce résultat prometteur dans le développement de nouveaux traitements pour les patients. Un modèle par éléments finis du rachis sera d’abord utilisé pour analyser les spécifications techniques de l'implant préliminaire, qui sera par la suite optimisé à l’aide de logiciel de conception assistée par ordinateur. L'implant optimal sera ensuite fabriqué basé sur puis tester in silico (sur des sawbones) puis in vitro (sur spécimens cadavériques) afin de raffiner la procédure chirurgicale. L'implant développé sera finalement testé et évalué in vivo en utilisant un modèle animal porcin pendant deux mois. Un ou deux mini-porcs immatures (3 mois) seront utilisés pour évaluer le nouvel implant en termes de déformations vertébrales, de taux de croissance des vertèbres, d’histomorphométrie de la plaque de croissance, du disque intervertébral et du tissu osseux. Cette étude de faisabilité limitée n’inclura pas de groupes contrôle et sham.

Ce projet comprend trois objectifs spécifiques :

O1) Raffiner et optimiser la conception d'un implant dynamique préliminaire précédemment développé;
O2) Fabriquer l'implant dynamique;
O3) Tester et évaluer in vivo la conception de l'implant raffiné à l’aide d’un modèle animal.

Formation : B. Ing. Génie mécanique, Université de Technologiede Sharif (2007); Maîtrise. Génie mécanique, biomécanique, Université de Technologie de Sharif (2010)

Bureau : Polytechnique Montréal / Centre de recherche du CHU Ste-Justine, local 4726
Téléphone : 514-345-4931 # 4038
Courriel : mojdeh.tiredast@gmail.com

Sujet : Caractérisation in vivo de la modulation de croissance des vertèbres par des agrafes à mémoire de forme sur un modèle animal pour la correction de la scoliose idiopathique.
Directeur : Dr. Stefan Parent, Centre de recherche du CHU Ste-Justine
Co-directeur : Prof. Isabelle Villemure, Génie mécanique, Polytechnique Montréal

Description : La scoliose est une déformation de la colonne vertébrale dont la progression serait auto-entretenue par des forces asymétriques sur les plaques de croissance vertébrales. La chirurgie d'instrumentation par agrafes, sans fusion osseuse, présente une alternative avant-gardiste pour le traitement de la scoliose. L’objectif de cette étude est de caractériser, à l’aide de techniques de biologie, l’effet mécanique des agrafes sur l’histologie des plaques de croissance et le taux de croissance des vertèbres.

Le présent projet comprend trois objectifs spécifiques :

O1) implémenter trois groupes de porcs: contrôle, sham et opéré. Pour le groupe opéré, implanter cinq agrafes en alliage Ni-Ti sur 5 niveaux thoraciques de la colonne vertébrale afin de créer une scoliose thoracique;
O2) pour chaque groupe, compléter une étude histomorphométrique des plaques de croissance vertébrales et des disques intervertébraux ainsi qu’un suivi du taux de croissance osseuse vertébrale à partir de marquage à la calcéine;
O3) complémenter une analyse comparative pour les paramètres histomorphométriques et les taux de croissance des trois groupes.

Formation : Médecin-orthopédiste, Université Nationale de Médecine, Kiev, Ukraine (2001)

Courriel : ywakula@sympatico.ca

Sujet : Évaluation de modèles biphasiques linéaires pour la caractérisation mécanique de la plaque de croissance.
Directeur : Prof. Martin Lévesque, Génie mécanique, Polytechnique Montréal
Co-directeur : Prof. Isabelle Villemure, Génie mécanique, Polytechnique Montréal

Formation : B. Ing. Génie Mécanique, Polytechnique Montréal

Courriel : loic.bourgeois-collin@polymtl.ca

Sujet : Extraction et analye comparative des propriétés mécaniques intrinsèques des plaques de croissance porcines pour quatre stades développementaux.
Directeur : Prof. Isabelle Villemure, Génie mécanique, Polytechnique Montréal
Co-directeur : Prof. Martin Lévesque, Génie mécanique, Polytechnique Montréal

Description : De la naissance à la maturité, les plaques de croissance cartilagineuses sont situées aux extrémités des os longs et des vertèbres. La compression est essentielle au développement normal des os mais, les compressions excessives causent des anomalies de croissance telles la scoliose idiopathique adolescente, le tibia vara, etc. Le stade de développement est très important dans le suivi de la pathologie car la progression rapide de ces déformations coïncide souvent avec des périodes de croissance accélérée (ex.: puberté), ce qui a motivé la réalisation d’études biomécaniques des plaques de croissance. Complétées pour un seul stade, ces études n’ont cependant pas établi la sensibilité biomécanique du stade de croissance aux contraintes mécaniques. Dans notre laboratoire, des plaques porcines ont été testées en relaxation de contraintes sous compression non confinée pour quatre stades de développement : nouveau né, 4, 8 et 18 semaines.

Le présent projet vise l’extraction et l’analyse comparative des propriétés mécaniques intrinsèques des plaques de croissances pour chaque stade à partir de trois objectifs spécifiques:

O1) Améliorer la procédure d’extraction des propriétés mécaniques;
O2) Extraire les propriétés mécaniques intrinsèques à partir des courbes expérimentales de relaxation de contraintes et de la procédure améliorée en (1);
O3) Compléter une analyse comparative des propriétés entre les quatre stades de développement.

Formation : B. Ing. Génie Mécanique, Université Concordia (2008)

Courriel : roxanne.wosu@polymtl.ca

Sujet : Comparaison de la réponse mécanobiologique in vitro d'explants de plaque de croissance porcine sous chargements statique et cyclique.
Directeur : Prof. Isabelle Villemure, Génie mécanique, Polytechnique Montréal
Co-directeur : Dr Stefan Parent, Centre de recherche du CHU Ste-Justine
Collaborateur : Dr. Florina Moldovan, Centre de recherche du CHU Ste-Justine

Description : La croissance endochondrale des os s’opère à l’intérieur des plaques de croissance cartilagineuses. Le taux de croissance d’un os dépend des hormones, des nutriments et de la génétique. Les forces mécaniques peuvent également moduler la croissance des os; ce processus est à la fois responsable de la progression de déformations musculo-squelettiques chez les jeunes patients et exploité dans les approches de traitement de ces mêmes pathologies. Les études expérimentales démontrent que l’augmentation ou la réduction de la pression statique altère la croissance longitudinale des os. Des études récentes ont également analysé les différents effets de chargements statique et cyclique sur les plaques de croissance. Toutefois, il n’est pas encore clairement défini quel type de chargement (statique ou dynamique, amplitude, fréquence, etc.) offre le meilleur potentiel de modulation de la croissance.

Le présent projet comporte une étude comparative des effets encourus par des chargements statiques et cycliques appliqués sur des explants de plaques de croissance.

Le projet se déroule suivant trois objectifs spécifiques :

O1) Développer et élaborer les différents protocoles de préparation tissulaire et de chargements mécaniques qui serviront à implémenter 4 groupes d’explants de plaques de croissance : (a) normal, (b) contrôle, (c) chargement statique, (d) chargement cyclique équivalent;
O2) Caractériser, pour chacun des groupes, l’histomorphométrie des plaques de croissance ainsi que les modes d’expression des gènes et des protéines de certaines molécules clées de la matrice extracellulaire (l’histomorphométrie est l’étude de la forme et des dimensions d’un tissu vivant et/ou de ses composantes);
O3) Mener une étude comparative afin d’analyser les effets : (a) du système de culture, (b) du chargement statique versus dynamique.

Formation : B. Ing. Génie Mécanique, Polytechnique Montréal (2008)

Courriel : kim.sergerie@polymtl.ca

Sujet : Étude mécanobiologique in vivo : Effets de la modulation mécanique de la croissance dans la matrice extracellulaire des plaques de croissance de vertèbres caudales d'un modèle animal de rat.
Directeur : Prof. Isabelle Villemure, Génie mécanique, Polytechnique Montréal
Co-directeur : Dr Guy Grimard, Centre de recherche du CHU Ste-Justine; Dr Florina Moldovan, Centre de recherche du CHU Ste-Justine

Formation : Graduée en ingénierie de l'École Centrale Paris, France

Sujet : MEF des plaques de croissance dans un modèle volumique du rachis
Directeur : Prof. Isabelle Villemure, Génie mécanique, Polytechnique Montréal
Co-directeur : Prof. Carl-Éric Aubin, Génie mécanique, Polytechnique Montréal

Formation : B. Ing. Génie Mécanique, Polytechnique Montréal (2005)