Abstract :
[en] Biological materials have developed remarkable structural strategies to achieve multiple mechanical functions while preserving durability. Among them, bone stands out for its unique ability to combine stiffness, strength, and toughness—properties that are typically mutually exclusive in engineering materials. This exceptional mechanical behavior arises from its complex hierarchical structure and, critically, from its internal interfaces. One such interface, the cement line (CL), is a well-known structural feature found in challenging locations such as at the soft tissue-bone junctions and bordering bone packets in trabecular bone and secondary osteons in cortical bone. Despite its ubiquity, the functional role of the CL remains poorly understood. While it is often assumed to contribute to the mechanical behavior and to alter the continuity of the osteocyte lacuno-canalicular network (OLCN), its exact material properties, structural organization, and biological significance have not been fully characterized.
In this context, the aim of this thesis is to elucidate CL mineral content and mineralization, mechanical and mineral properties and its interaction with the OLCN. We assume that the CL, despite its tiny dimension, shows specific characteristics in comparison to surrounding bone, that should be taken into consideration for a full picture on bone quality. To address these objectives, we combined different techniques at sub-micrometer resolution, following a spatial correlative approach where the same regions are interrogated with quantitative backscattered electron imaging, second harmonic generation imaging, nanoindentation, synchrotron X-ray scattering, and confocal laser scanning microscopy.
Our findings reveal that the CL in human femoral bones is consistently more mineralized than the surrounding bone tissue, with a distinct two-phase mineralization process—initially fast, then slower—differing from the corresponding osteon. Importantly, its mineralization is not universal but strongly depends on the local region where it is formed, potentially reflecting local recycling of mineral ions during remodeling. Mechanically, the CL is stiffer and harder than its corresponding osteon, yet it requires more mineral to reach the same mechanical properties as bone, thus hinting for a lower mechanical efficiency. Synchrotron data show that the nanoscale nature of the CL also differs from adjacent bone, with mineral particles at the CL being shorter but thicker. Based on a mechanical model, we interpreted the lower aspect ratio of the mineral particles as a less effective way to reinforce the collagen matrix. Damage simulations further suggest that the CL alone is unlikely to act as an efficient interface for crack deflection—challenging traditional assumptions. Finally, analysis of the OLCN reveals that the CL is not an impermeable barrier, but a semi-permeable interface allowing sparse yet efficient connectivity between lacunae. These connections may be crucial for maintaining communication and material exchange between adjacent osteons and, perhaps most critically, between osteons and interstitial bone. Indeed, at the periphery of the osteon near CL, we found a higher density of lacunae, probably reflecting a higher activity of osteoblasts and a strategic positioning of cells to enable connections with the outer bone.
Overall, this work redefines the CL as a dynamic, rapidly mineralized, structurally distinct, and functionally integrated interface. Rather than acting primarily as a barrier to damage, the CL appears to serve as a substrate that supports bone formation. These findings highlight the importance of the CL as a contributor to bone quality, and open perspectives for exploring its role in aging and disease-related fragility.
[fr] Les matériaux biologiques ont développé des stratégies structurales remarquables pour accomplir plusieurs fonctions mécaniques tout en préservant la durabilité. Parmi eux, l'os se distingue par sa capacité unique à combiner rigidité, résistance et robustesse—des propriétés habituellement considérées comme mutuellement incompatibles dans les matériaux d'ingénierie. Ce comportement mécanique exceptionnel découle de sa structure hiérarchique complexe et, surtout, de ses interfaces internes. L'une de ces interfaces, la ligne cémentante (CL), est une structure bien connue localisée dans des zones complexes telles que les jonctions entre tissus mous et os, ainsi qu'à la périphérie des paquets osseux dans l'os trabéculaire et des ostéons secondaires dans l'os cortical. Malgré son omniprésence, le rôle fonctionnel de la CL reste mal compris. Bien qu'elle soit souvent supposée contribuer au comportement mécanique et modifier la continuité du réseau lacuno-canaliculaire des ostéocytes (OLCN), ses propriétés matérielles exactes, son organisation structurale et sa signification biologique n'ont pas été pleinement caractérisées.
Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse est d'élucider le contenu minéral et le processus de minéralisation de la CL, ses propriétés mécaniques et minérales, ainsi que son interaction avec l’OLCN. Nous supposons que, malgré ses dimensions minuscules, la CL présente des caractéristiques spécifiques par rapport au tissu osseux environnant, caractéristiques qui devraient être prises en compte pour une compréhension complète de la qualité osseuse. Pour atteindre ces objectifs, nous avons combiné différentes techniques à résolution submicrométrique, en suivant une approche corrélative spatiale où les mêmes régions ont été analysées par imagerie électronique en rétrodiffusion quantitative, imagerie à génération de seconde harmonique, nanoindentation, diffraction des rayons X et microscopie confocale à balayage laser.
Nos résultats révèlent que la CL dans les os fémoraux humains est systématiquement plus minéralisée que le tissu osseux environnant, avec un processus de minéralisation en deux phases—rapide initialement, puis plus lent—distinct de celui de l'ostéon correspondant. De manière importante, sa minéralisation n'est pas universelle mais dépend fortement de la région locale où elle se forme, reflétant potentiellement un recyclage local des ions minéraux lors du remodelage. Mécaniquement, la CL est plus rigide et plus dure que l’ostéon adjacent, mais elle nécessite une teneur minérale plus élevée pour atteindre des propriétés mécaniques comparables, ce qui suggère une efficacité mécanique inférieure. Les données du synchrotron montrent que la structure nanoscopique de la CL diffère également de celle de l'os adjacent, avec des particules minérales plus épaisses mais plus courtes. D’après un modèle mécanique, le plus faible ratio des dimensions de ces particules minérales serait moins efficace pour renforcer la matrice de collagène. Des simulations de propagation de fissures suggèrent en outre que la CL seule n’agit probablement pas comme une interface efficace pour dévier les fissures—remettant en cause les hypothèses traditionnelles. Enfin, l'analyse de l'OLCN indique que la CL n’est pas une barrière imperméable, mais constitue une interface semi-perméable permettant des connexions rares mais efficaces entre les lacunes. Ces connexions pourraient être cruciales pour maintenir la communication et les échanges de matière entre ostéons adjacents, et plus encore entre ostéons et os interstitiel. En effet, à la périphérie des ostéons, à proximité de la CL, nous avons observé une densité plus élevée de lacunes, probablement liée à une plus forte activité des ostéoblastes à un positionnement stratégique des cellules pour permettre une connexion avec l'os environnant.
Dans l’ensemble, ce travail redéfinit la CL comme une interface dynamique, rapidement minéralisée, distincte sur le plan structural et intégrée fonctionnellement. Plutôt que d’agir principalement comme une barrière contre les dommages mécaniques, la CL semble servir de substrat soutenant la formation osseuse. Ces résultats soulignent l'importance de la CL comme élément contribuant à la qualité osseuse et ouvrent de nouvelles perspectives pour explorer son rôle dans le vieillissement et la fragilité osseuse liée aux pathologies.
