Articular cartilage is avascular and comprised mainly of a water-rich extracellular matrix (ECM);​ thus solute and fluid transport through cartilage ECM are crucial to cartilage physiology. Once injured, cartilage has a limited capacity for self-repair, often leading to long-term degeneration and osteoarthritis due to focal damage. Modern strategies for cartilage repair are promising, however they rely upon detection of tissue damage at an early stage following injury. This thesis explores relationships between cartilage injury, matrix damage, and associated changes in fluid and solute transport through cartilage. Results indicate avenues for improvement upon in vitro and in vivo methods for cartilage functional assessment, and early detection of focal lesions.

First, an investigation was performed into the effects of a well-characterized invitro model for cartilage injury on the transport properties of a wide range of solutes, including fluorescent solutes and contrast agents. Mechanical injury was associated with a significant increase in effective diffusivity versus uninjured explants for all solutes studied. In contrast, mechanical injury had no effects on effective partition coefficients for most solutes tested. This distinction is important because measurement of equilibrium partitioning underlies many of the methods currently in use for clinical imaging of cartilage, but we found it to be much less sensitive to cartilage injury than nonequilibrium diffusive transport. Our results emphasized enhanced diffusive transport across the articular surface of injured cartilage, which may have important physiological implications for injury and repair situations. These support development of novel non- equilibrium methods for identification of focal cartilage lesions by contrast agent-based clinical imaging.

Second, a new methodology for efficient in vitro mechanical characterization of soft tissue and gel samples was developed, which provides some important advantages over existing methods. Using a novel solution to the poroelastic governing equations for creep valid at early times combined with the classical solution for the stress relaxation problem, this method allows for measurement of gel elastic modulus and hydraulic permeability with some inherent redundancy that improves confidence in measured parameters.

This thesis therefore emphasizes the development of new approaches for functional assessment of articular cartilage tissue in the laboratory and in the clinic. Improved observation and quantification of solute transport and poroelastic mechanics in cartilage will contribute to improved tissue functional assessment leading to a better understanding of cartilage physiology and more accurate identification of the stages of degenerative disease.

Le cartilage articulaire est avasculaire et composé principalement d'une matrice extracellulaire riche en eau (ECM). Par conséquent, le transport de solutés et de liquides à travers cette matrice est crucial pour la physiologie du cartilage. Une fois endommagé le cartilage a une capacité limitée pour l'auto-réparation, ce qui conduit souvent à long terme à la dégénération du tissu et à l`osteoarthrite en raison de lésions focalisées. Les stratégies actuelles pour la réparation du cartilage sont prometteuses, mais ils reposent sur la détection de lésions tissulaires à un stade précoce suivant une blessure. Ce mémoire explore la relation entre les lésions cartilagineuses, les dommages à la matrice et les changements dans le transport de solutés et de liquides à travers le cartilage. Nos résultats indiques de nouvelles pistes pour améliorer les méthodes d`évaluation fonctionnelle du cartilage in vitro et in vivo et la détection précoce de lésions focalisées.

Premièrement, nous avons examiné les effets d`un modèle bien caractérisé de lésions cartilagineuses sur les propriétés de transport d'un large éventail de solutés y compris de solutés fluorescents et d`agents de contraste. Pour tous les solutés étudiés, l`endommagement mécanique d`explants de cartilage est associée à une augmentation significative de la diffusivité effective comparé aux explants non endommagé. En revanche, les lésions mécaniques n‟ont aucun effet sur le coefficient de partage effectif pour la plupart des solutés testés. Cette différence est importante car la mesure du coefficient de partage effectif est à la base de beaucoup de méthodes actuellement utilisées pour l`imagerie clinique du cartilage. Nous démontrons que cette approche est moins sensible aux lésions cartilagineuses que le transport diffusif en conditions de non équilibre. Nos résultats soulignent une augmentation du transport diffusif à travers de la surface articulaire du cartilage endommagé. Ceci pourrait avoir d`importantes implications physiologiques en cas de lésions ou dans des conditions de réparation du cartilage et poussent vers le développement de méthodes d`évaluation sous des conditions de non équilibre pour l`identification de lésions focalisées du cartilage par imagerie clinique sur base d`agents de contraste.

Deuxièmement, nous avons développé une nouvelle méthode efficace pour la caractérisation mécanique de tissus mous et d`échantillons de gels in vitro, qui fournit d`importants avantages comparé aux méthodes existantes. Nous avons utilisé une nouvelle solution pour les équations régissant le fluage dans des matériaux poroélastiques valides au début du phénomène, combiné à la solution classique pour le problème de la relaxation de contrainte. Cette approche permet de mesurer le module élastique et la perméabilité hydraulique d`un gel avec une certaine redondance inhérente qui améliore la confiance dans les paramètres mesurés.

Ce mémoire souligne par conséquent de nouvelles approches pour l'évaluation fonctionnelle du tissu cartilagineux articulaire en laboratoire et en clinique. L`amélioration des méthodes d`observation et de quantification du transport de solutés et des mécanismes poro-élastiques dans le cartilage, contribuera à perfectionner l'évaluation fonctionnelle du tissu. Ceci aboutira à une meilleure compréhension de la physiologie cartilagineuse et une identification plus précise des étapes de la maladie dégénérative.