05/05/2021

Modulation des efforts articulaires par exosquelette ou endoprothèse pour l’optimisation du phénotype chondrocytaire lors de l’implantation de néo-tissus de cartilage


  • ORGANISATION/COMPANY
    CNRS-UM LIRMM
  • RESEARCH FIELD
    Biological sciencesBiology
    Engineering
  • RESEARCHER PROFILE
    First Stage Researcher (R1)
    Recognised Researcher (R2)
    Established Researcher (R3)
    Leading Researcher (R4)
  • APPLICATION DEADLINE
    13/06/2021 00:00 - Europe/Brussels
  • LOCATION
    France › Montpellier
  • TYPE OF CONTRACT
    Temporary
  • JOB STATUS
    Full-time

OFFER DESCRIPTION

English version follows at the end of the French description

Sujet de thèse

Modulation des efforts articulaires par exosquelette ou endoprothèse pour l’optimisation du phénotype chondrocytaire lors de l’implantation de néo-tissus de cartilage

 

 

Acronyme :  ExoMecaCart

 

Mots clés – Keywords : régénération ; cartilage articulaire ; contraintes mécaniques ; contact ; robotique humanoïde ; exo- et endo-prothèse

 

Profil et compétences recherchées :

 

Ingénieur et/ou Master en mécanique et/ou mécatronique et/ou biomécanique. Une expérience en robotique (stage) sera un plus.

 

Description de la problématique de recherche

 

La régénération du cartilage est un des challenges les plus importants en recherche orthopédique. C’est un tissu à faibles capacités de cicatrisation, dont la destruction est associée à la perte de la fonction biomécanique et provoque d’importantes douleurs et handicaps. Ce travail de thèse s’inscrit dans la recherche de solutions thérapeutiques permettant de remplacer le cartilage détérioré.

Les travaux préliminaires du consortium LMGC-IRMB-LIRMM ont permis d’estimer les contraintes mécaniques optimales permettant de maximiser la production de matrice extracellulaire comparable qualitativement à celle du cartilage articulaire Petitjean et al., (2021). Des résultats très prometteurs (non publiés à ce jour et préliminaires), basés sur la mesure d’expression de gènes chondrocytaires après sollicitation, indiquent des niveaux de sollicitation mécanique optimaux 10 à 100 fois moins élevés que ceux subis in vivo. Nous nous attendons à pouvoir relever ces niveaux de sollicitations mécaniques optimaux en allongeant les périodes de sollicitations dans le bioréacteur, sans pour autant atteindre les niveaux de contraintes mécaniques subies in vivo. Il nous semble donc extrêmement pertinent de reproduire, à l’aide de solutions robotiques, des niveaux acceptables de contraintes pour que les implants de cartilage continuent leur bon développement chez le patient.

Le principal objectif de la thèse consiste donc à réaliser une solution robotique qui permet de réaliser la réadaptation de l’articulation en permettant de moduler les contraintes mécaniques subies au niveau du cartilage articulaire.

 

 

Méthodes envisagées :

Une première approche de modélisation permettra de relier les paramètres cinématiques et dynamiques de l’articulation du genou aux paramètres mécaniques associés aux cartilages (contraintes). Comme suite à ce travail de modélisation, on se propose de concevoir un système robotique à même d'atténuer toute contrainte au-delà de ce qui est accepté dans le cahier de charge durant la phase de rééducation post-implant. Enfin, une phase de validation se fera d’abord entièrement en simulation. On utilisera des modèles de simulation avancés (LIRMM-LMGC) qui permettent de prendre en compte les interactions entre la solution robotique et les tissus mous humains et l’influence de cette interaction sur l’articulation et la prothèse. Toutes les interactions doivent être assez précisément modélisées afin que la suppléance des efforts soit optimale. On vérifiera ensuite, théoriquement et par simulation, que l’on arrive bien à moduler les efforts au niveau des contacts articulaires tout au long des mouvements envisagés. Une fois cette phase terminée, on peut alors envisager une validation in vivo pour la solution exosquelette. La dernière étape de la thèse se fera par une validation clinique sous le pilotage du CHU.

 

Contexte :

Le projet autour de cette thèse implique la collaboration du LMGC http://www.lmgc.univ-montp2.fr/ pour les aspects modèles biomécaniques et optimisation des sollicitations mécaniques sur le modèle d’implant de cartilage articulaire développé par l’IRMB ; de l’IRMB irmpour la mise en place des modèles de cartilage articulaire ; de A. Kheddar du LIRMM www.lirmm.fr (membre REGENEHAB https://regenhab.chu-montpellier.fr/fr/le-projet-regenhab et responsable pour le WP robotique) pour la solution exo- et endo-prothèse suppléant les efforts de mouvement au-delà du seuil toléré durant la phase de réhabilitation et qui peut aussi interdire des mouvements (contraintes) dans les degrés libertés préconisés; de l’équipe d’orthopédistes du Centre Hospitalier Universitaire (CHU) de Montpellier pour les recommandations, le cahier de charge et l’accompagnement dans les étapes de validations ainsi qu'éventuellement des validations cliniques si cela est possible/faisable.  

 

Financement :

Bourse de thèse ministérielle acquise environ 1700€ brut par mois

 

Références bibliographiques :

 

  • N. Petitjean, G. Dusfour, P. Canadas, M. Maumus, P. Valorge, S. Devic, J. Berthelot, E. Belamie, P. Royer, C. Jorgensen, D. Noël, S. Le Floc'h. Validation of a new fluidic device for mechanical stimulation and characterization of microspheres: A first step towards cartilage characterization, Materials Science and Engineering: C. vol 121. 2021.
  • G. Dusfour, M. Maumus, P. Canadas, D. Ambard, C. Jorgensen, D. Noël, S. Le Floc'h. Mesenchymal stem cellsderived cartilage micropellets: A relevant in vitro model for biomechanical and mechanobiological studies of cartilage growth, Materials Science and Engineering: C, vol 112, 2020.
  • S. Caron, A. Kheddar, O. Tempier, Stair climbing stabilization of the HRP4 humanoid robot using whole-body admittance control, IEEE International Conference on Robotics and Automation, 20-14 May 2019, Montreal, Canada.
  • S. Brossette, A. Escande, A. Kheddar, Multicontact postures computation on manifolds, IEEE Transactions on Robotics, online 16 May 2018, Vol. 34, Issue 5, pp. 1252-1265, October 2018. Doi: 10.1109/TRO.2018.2830390.
  • L. Dagneaux, H. Razak, P. Laumonerie, A. Faizhan, S. Liarno, P. Wellings, M. Ollivier, C. Jacquet, Bony asymmetry in patellofemoral morphology and risk factors of instability are mostly clinically negligible, Knee Surgery, Sports Traumatology, Arthroscopy. 2021, 10.1007/s00167020-06413-7.
  • L. Dagneaux, A. Amundson, D. Larson, M. Pagnano, D. Berry, M. Abdel, Contemporary Mortality Rate and Outcomes in Nonagenarians Undergoing Primary Total Hip Arthroplasty, The Journal of Arthroplasty, 2020, 10.1016/j.arth.2020.10.040.

 

 

 

PhD Thesis offer

 

Modulation of joint mechanical stress by exoskeleton or endoprosthesis for optimization of chondrocyte phenotype during cartilage neo-tissue implantation

 

 

Acronym:  ExoMecaCart

 

Keywords: regeneration; articular cartilage; mechanical stress; contact; humanoid robotics; exo- and endo-prosthesis.

 

Profile and skills required:

Maser in mechanics or biomechanics or mechatronics. Robotic knowledge is appreciated but not mandatory.

 

Project description:

Cartilage regeneration is one of the most important challenges in orthopedic research. Cartilage is a tissue with poor healing capacity, whose destruction is associated with loss of biomechanical function and causes significant pain and disability. This thesis is part of the effort that seeks for therapeutic solutions to replace damaged cartilage.

Preliminary work by the LMGC-IRMB-LIRMM consortium has made it possible to estimate the optimal mechanical stresses to maximize the production of extracellular matrix that is qualitatively comparable to that of articular cartilage Petitjean et al. (2021). Very promising results (unpublished to date), based on the measurement of chondrocyte gene expressions after loading, indicate optimal mechanical loading levels 10 to 100 times lower than those experienced in vivo. We expect to be able to increase these optimal mechanical stress levels by lengthening the stress periods in the bioreactor, without reaching the mechanical stress levels experienced in vivo. It is therefore extremely relevant to reproduce, with the help of robotic solutions, acceptable levels of stress so that the cartilage implants continue their proper development in the patient.

The main objective of the thesis is therefore to realize a robotic solution that allows the rehabilitation of the joint by modulating the mechanical stresses experienced by the articular cartilage.

 

 

Methods:

A first modeling approach will allow to link the kinematic and dynamic parameters of the knee joint to the mechanical parameters associated with the cartilages (constraints). Following this modeling work, we propose to design a robotic system able to mitigate any constraint beyond what is accepted in the specifications during the post-implant rehabilitation phase. Finally, a validation phase will first be done entirely in simulation. Advanced simulation models (LIRMM-LMGC) will be used to take into account the interactions between the robotic solution and the human soft tissues and the influence of this interaction on the joint and the prosthesis. All interactions must be modeled accurately enough to ensure optimal force replacement. We will then assess, theoretically and by simulation, that we are able to modulate the forces at the level of the joint contacts throughout the envisioned possible movements. Once this phase is completed, we can then consider in vivo validation for the exoskeleton or endoprosthesis solution. The last step of the thesis will be a clinical validation under the supervision of the University Hospital of Montpellier (Professor Dr Louis Dagneaux).

 

 

Context:

 

This thesis is part of a large regional bionics effort that involves the collaboration of the LMGC http://www.lmgc.univ-montp2.fr/ for the biomechanical model aspects and optimization of mechanical solicitations on the articular cartilage implant model developed by the IRMB http://www.irmb-inserm.fr/ ; of the IRMB for the implementation of articular cartilage models; of A. Kheddar of the LIRMM www.lirmm.fr (member of RGENEHAB https://regenhab.chu-montpellier.fr/fr/le-projet-regenhab and responsible for robotics) for the exo- and endo-prosthesis solution which supplements the movement efforts beyond the tolerated threshold during the rehabilitation phase and which can also prohibit movements (constraints) within the recommended degrees of freedom; the team of orthopedists (Prof. Dr Louis Dagneaux) of the CHU of Montpellier for the recommendations, the specifications and the accompaniment in the stages of validations as well as possibly clinical validations if it is possible/feasible.

 

Grant:

University of Montpellier PhD scholarship, around 1700€ / month.

 

Bibliography:

  • N. Petitjean, G. Dusfour, P. Canadas, M. Maumus, P. Valorge, S. Devic, J. Berthelot, E. Belamie, P. Royer, C. Jorgensen, D. Noël, S. Le Floc'h. Validation of a new fluidic device for mechanical stimulation and characterization of microspheres: A first step towards cartilage characterization, Materials Science and Engineering: C. vol 121. 2021.
  • G. Dusfour, M. Maumus, P. Canadas, D. Ambard, C. Jorgensen, D. Noël, S. Le Floc'h. Mesenchymal stem cellsderived cartilage micropellets: A relevant in vitro model for biomechanical and mechanobiological studies of cartilage growth, Materials Science and Engineering: C, vol 112, 2020.
  • S. Caron, A. Kheddar, O. Tempier, Stair climbing stabilization of the HRP4 humanoid robot using whole-body admittance control, IEEE International Conference on Robotics and Automation, 20-14 May 2019, Montreal, Canada.
  • S. Brossette, A. Escande, A. Kheddar, Multicontact postures computation on manifolds, IEEE Transactions on Robotics, online 16 May 2018, Vol. 34, Issue 5, pp. 1252-1265, October 2018. Doi: 10.1109/TRO.2018.2830390.
  • L. Dagneaux, H. Razak, P. Laumonerie, A. Faizhan, S. Liarno, P. Wellings, M. Ollivier, C. Jacquet, Bony asymmetry in patellofemoral morphology and risk factors of instability are mostly clinically negligible, Knee Surgery, Sports Traumatology, Arthroscopy. 2021, 10.1007/s00167020-06413-7.
  • L. Dagneaux, A. Amundson, D. Larson, M. Pagnano, D. Berry, M. Abdel, Contemporary Mortality Rate and Outcomes in Nonagenarians Undergoing Primary Total Hip Arthroplasty, The Journal of Arthroplasty, 2020, 10.1016/j.arth.2020.10.040.

 

 



Funding category: Contrat doctoral

Université de Montpellier

PHD title: Doctorat I2S

PHD Country: France

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Offer Requirements

Specific Requirements

Ingénieur et/ou Master en mécanique et/ou mécatronique et/ou biomécanique. Une expérience en robotique (stage) sera un plus

Maser in mechanics or biomechanics or mechatronics. Robotic knowledge is appreciated but not mandatory.

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Job Work Location Personal Assistance locations
Work location(s)
1 position(s) available at
CNRS-UM LIRMM
France
Montpellier

EURAXESS offer ID: 636546
Posting organisation offer ID: 97993

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