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Abstract :
[en] In joints, bone and cartilage are connected through a layer of mineralized cartilage, forming the osteochondral junction, a functional unit in which the different tissues interact biomechanically and biologically to enable proper joint function. Biologically, bone and mineralized cartilage contain cells embedded within a mineralized matrix. These cells are believed to be mechanoresponsive and contribute to tissue integrity. From a materials science perspective, the bone-cartilage interface is particularly interesting as it connects the soft articular cartilage to the much stiffer bone over only a few hundred micrometers, through strategies to mitigate stress concentration and damage. This region is also of high clinical relevance, being involved in degenerative joint diseases such as osteoarthritis, a leading cause of pain and disability affecting millions of people worldwide. Although osteoarthritis has been extensively investigated, age-related changes that predispose joints to degeneration in the absence of or before the onset of disease remain poorly understood. This thesis presents a multimodal correlative investigation combining high-resolution imaging, mechanical testing at different length scales, numerical analysis, and advanced image processing to characterize age-related changes occurring at long bone extremities. The proximal tibia of adult and aged rats serves as a biological model, allowing isolation of aging effects in a mechanically demanding region frequently affected by osteoarthritis. Micro-computed tomography revealed subchondral plate thickening and trabecular coarsening with aging, with site-specific magnitudes distinct from regions further from the osteochondral interface. Correlative analyses using quantitative backscattered electron imaging, second harmonic generation imaging, and nanoindentation showed that mineralized cartilage exhibits lower mineral content and more uniformly oriented collagen fibrils compared to subchondral bone. With age, the degree of mineralization increases in both tissues, but by different magnitudes, reflecting differences in turnover and mineralization dynamics. Aging in mineralized cartilage is also accompanied by steeper gradients in mineral content and indentation modulus across the unmineralized-to-mineralized cartilage transition. To assess the mechanical implications of these changes, in situ compression tests of the whole joint were combined with micro-computed tomography, digital volume correlation, and finite element modeling. This mechanical characterization underlined marked reductions in epiphyseal strain and altered spatial strain distributions in aged samples, indicating epiphyseal stiffening and disrupted load transfer with age. Finally, confocal laser scanning microscopy combined with rhodamine staining revealed site‑specific organization of the lacunocanalicular network (LCN) at the osteochondral junction and direct physical routes allowing for connections between the chondrocyte lacunae in mineralized cartilage and the underlying subchondral bone. Contrary to microstructural, material, and mechanical features, no clear age-related alterations were detected in LCN organization or in the bone-mineralized cartilage connections. The results obtained in this thesis should advance our understanding of the impact of aging on joint structure and function.
[fr] Dans les articulations, l’os et le cartilage sont reliés par une couche de cartilage minéralisé formant la jonction ostéochondrale, une unité fonctionnelle au sein de laquelle les différents tissus interagissent sur les plans biomécanique et biologique afin de permettre le bon fonctionnement de l’articulation. D’un point de vue biologique, l’os et le cartilage minéralisé contiennent des cellules intégrées dans une matrice minéralisée. Ces cellules sont considérées comme mécanosensibles et contribuent à l’intégrité tissulaire. Du point de vue de la science des matériaux, l’interface os‑cartilage est particulièrement intéressante, car elle relie le cartilage articulaire souple et l’os beaucoup plus rigide sur seulement quelques centaines de micromètres, grâce à des stratégies limitant les concentrations de contraintes et les dommages mécaniques. Cette région est également d’un grand intérêt clinique, car elle est impliquée dans des maladies articulaires dégénératives telles que l’arthrose, l’une des principales causes de douleur et d’incapacité touchant des millions de personnes dans le monde. Bien que l’arthrose ait fait l’objet de nombreuses recherches, les changements liés à l’âge qui favorisent la dégénérescence articulaire, en l’absence ou avant l’apparition de la maladie, demeurent encore mal compris. Cette thèse propose une étude corrélative multimodale combinant imagerie à haute résolution, essais mécaniques à différentes échelles, analyses numériques et traitement d’images avancé afin de caractériser les altérations liées à l’âge survenant aux extrémités des os longs. Le tibia proximal de rats adultes et âgés a servi de modèle biologique, permettant d’isoler les effets du vieillissement dans une région soumise à des contraintes mécaniques importantes et fréquemment touchée par l’arthrose. La micro-tomographie par rayons X a révélé un épaississement de la plaque sous-chondrale et un grossissement du réseau trabéculaire avec l’âge, dont l’ampleur, spécifique à chaque site, diffère de celle observée dans les régions plus éloignées de l’interface ostéochondrale. Des analyses corrélatives combinant imagerie quantitative par électrons rétrodiffusés, imagerie par génération de seconde harmonique et nanoindentation ont montré que le cartilage minéralisé présente une teneur en minéraux plus faible et des fibrilles de collagène plus uniformément orientées que l’os sous-chondral. Avec l’âge, le taux de minéralisation augmente dans les deux tissus, mais à des degrés différents, mettant en évidence des différences dans le renouvellement tissulaire et la dynamique de minéralisation. Le vieillissement du cartilage minéralisé s’accompagne également de gradients plus marqués de la teneur en minéral et du module d'indentation au niveau de la transition entre le cartilage non minéralisé et le cartilage minéralisé. Afin d'évaluer les implications mécaniques de ces changements, des essais de compression in situ réalisés sur l’articulation entière ont été combinés à la microtomographie, à la corrélation volumique numérique et à la modélisation par éléments finis. Cette caractérisation mécanique a mis en évidence une réduction marquée des déformations épiphysaires ainsi qu’une modification de leur distribution spatiale dans les échantillons âgés, indiquant ainsi un raidissement de l'épiphyse et une altération du transfert de charge avec l’âge. Enfin, la microscopie confocale à balayage laser, associée à un marquage à la rhodamine, a révélé une organisation spécifique du réseau lacuno‑canaliculaire (LCN) au niveau de la jonction ostéochondrale, ainsi que des voies physiques directes permettant des connexions entre les lacunes chondrocytaires du cartilage minéralisé et l’os sous-chondral sous-jacent. Contrairement aux caractéristiques microstructurales, matérielles et mécaniques, aucune altération claire liée à l’âge n’a été détectée dans l’organisation du LCN, ni dans les connexions entre l’os et le cartilage minéralisé. Les résultats obtenus dans cette thèse devraient permettre de mieux comprendre l'impact du vieillissement sur la structure et le fonctionnement des articulations.
