L'arthrose est un fardeau economique important sur notre societe avec une population vieillissante. Des strategies efficaces de prevention/traitement dependent d'une comprehension approfondie du comportement biomecanique du genou, et en particulier du cartilage, dans differentes activites physiologique quotidiennes. Des difficultes pratiques et considerations ethiques des methodes experimentales presentent des modeles biomecaniques comme un outil complementaire indispensable pour 1'evaluation de la biomecanique du genou. Les modeles biomecaniques existants du genou ont neglige la nature anisotropique du cartilage et du menisque. Les reseaux de fibres de collagene, qui changent suivant la profondeur, semblent jouer un role crucial dans la biomecanique de ces tissus et de 1'ensemble du genou.

Dans la presente etude de calcul, un modele d'elements finis poroelastique renforce de fibre de cartilage a ete initialement developpe ou un element membrane approprie a ete utilise pour representer des fibres horizontales de collagene. Le contenu volumique et les proprietes du materiau dependantes de la deformation des fibres pures de collagene ont ete explicitement representes dans la formulation. Cette approche, par rapport a celles anterieures, semble etre plus utile de ne pas regrouper des differentes proprietes des fibres (i.e. la fraction volumique et la courbe non-lineaire de contraintedeformation) dans un seul parametre de rigidite qui risque de perdre son interpretation physique et, par consequent, son importance. Dans ce modele composite, conformement a la structure de tissu, la matrice et le reseau de fibres de membrane ont subi differentes contraintes malgre leurs deformations identiques dans les directions des fibres. Differents cas d'etudes de compression non confine et l'indentation ont ete effectuees pour determiner le role distinct des fibres de collagene de membrane dans la mecanique poroelastique non lineaire du cartilage articulaire. Par des ajustements de la fraction volumique et des proprietes mecaniques des collagenes, le modele a permit la simulation des changements dans la structure du reseau de fibres du tissu afin de modeliser des processus de dommages et des essais de reparation.

L'orientation primaire des fibres de collagene change suivant la profondeur du cartilage;​ elle est horizontale dans la zone superficielle, aleatoire dans la zone transitoire, et verticale dans la zone profonde. Par la suite, dans un modele axisymetrique poroelastique de cartilage, les trois reseaux fibrillaires aux zones superficielle, transitoire et verticale ont ete introduites selon la structure composite des couches du cartilage. Des elements membrane ont ete utilises pour des fibres horizontales superficielle et verticales profondes avec des formulations et le contenu volumique appropries. Des elements solides avec seulement la rigidite en tension ont ete utilises pour la distribution aleatoire des fibres dans la zone transitoire. Par consequent, a chaque iteration et increment de la solution, des elements solides qui prennent les directions des deformations principales comme axes principaux du materiau simulent la reorientation des fibres en tension. II a ete montre que des fibres verticales profondes jouent un role important dans la mecanique du cartilage articulaire en augmentant la rigidite du tissu et en protegeant la matrice solide contre des grandes distorsions. Toutefois, ce role a disparu au fil de temps durant la periode post-transitoire et a taux de chargement plus lent attendu dans les activites physiologiques telles que la marche.

Ensuite, notre modele axisymetrique anterieur a servi d'ameliorer largement le modele 3D existant de l'ensemble du genou vers un modele original qui a tenue compte, pour la premiere fois, de la nature anisotropique des cartilages femoral et tibial en plus des menisques. Des reseaux de fibres de collagene dans le cartilage et les menisques du genou changent dans le contenu et la structure d'une region a l'autre rendant les tissus hautement non-lineaire et nonhomogene. Tout en resistant a la tension, ils influencent la reponse globale du joint ainsi que les deformations locales en particulier aux periodes a court terme lors des activites telles que marcher et courir. Afin d'etudier le role des reseaux de fibres dans la mecanique du genou et en particulier la reponse du cartilage sous la compression, un modele original du joint tibiofemoral a ete developpe qui a incorpore les reseaux fibrillaire du cartilage et du menisque ainsi que les proprietes dependantes de la profondeur du cartilage. La reponse du joint en position de flexion nulle sous la charge de compression allant jusqu'a 2000 N a ete etudiee pour un certain nombre de conditions simulant l'absence dans le cartilage des reseaux fibrillaires verticale profonde ou superficielle ainsi que le detachement local entre le cartilage et l'os a leur jonction ou des dommages locaux aux fibres superficielles dans la zone de chargement. II a ete montre que le reseau fibrillaire verticale profonde dans le cartilage joue un role crucial dans le renforcement et la protection du cartilage articulaire contre les grandes deformations de tension et de cisaillement, en particulier a la jonction cartilage-os. Des fibres superficielles horizontales ont principalement protege le tissu contre les contraintes excessives aux couches superficielles. Le detachement local du cartilage a la base a perturbe le fonctionnement normal des fibres verticales a la zone touchee causant des deformations plus elevees. Les fibres verticales, et a un degre moins fort les fibres superficielles, ont joue des roles dominants dans la reponse mecanique du cartilage sous compression transitoire.

Ce modele detaille du genou a ete aussi utilise pour etudier seulement ou simultanement l'effet de la reconstruction du LCA et la meniscectomie partielle unilaterale sous les charges tiroir de 200 N et une compression de 1500 N, agissant seuls ou combines. Le grand raffinement dans le menisque nous a permis, a la fois, de considerer son ultrastructure detaillee de fibres de collagene avec divers arrangements aux surfaces exterieures et a l'interieur de ces surfaces et de simuler correctement la meniscectomie partielle a la region posterieure du menisque en enlevant les elements a cette region. La precharge de compression a augmente encore plus les forces/deformations du LCA sous le chargement tiroir. La meniscectomie partielle et les perturbations dans les proprietes du materiau et la pre-deformation du LCA, seules ou ensembles, a change de facon substantielle le transfert de la force via les surfaces couvertes et non couvertes du cartilage, ainsi que la distribution de la pression du contact sur le cartilage. La meniscectomie partielle a entierement decharge la zone du cartilage en dessous de la region resectee, qui aurait autrement articule avec le menisque. La meniscectomie partielle simultanee avec un LCA relache a diminue encore plus la charge transferee par le menisque touche generant deux regions de dechargement distinctes sur le cartilage en dessous. Ces changements anterieurs devraient augmenter encore plus en presence de plus grandes charges exterieures, plus grandes resections de menisque, une dechirure complete du LCA et des dommages aux reseaux fibrillaire de cartilage.

Les modeles originaux de cartilage et de genou developpes dans la presente etude ont incorpore les reseaux detailles anisotrope et nonhomogene des fibres de collagene. Les predictions ont ete en bon accord avec les mesures experimentales. Le role du reseau des fibres verticales profondes de collagene, et a un degre moins fort, des fibres horizontales superficielles et aleatoires transitoires dans la protection de la matrice solide contre des deformations excessives et l'augmentation de la rigidite de tissu ont ete demontrees. Toute modalite de traitement qui tente de reparer ou de regenerer des defauts du cartilage incluant des greffes osteochondraux partielle ou en pleine epaisseur devrait tenir compte du role crucial des reseaux de fibres de collagene et de l'environnement mecanique exigeant du tissu. Des changements dans des parametres de reconstruction du LCA tels que la pre-deformation et les proprietes du materiau ainsi que la meniscectomie partielle ont considerablement change la distribution de la charge dans le genou. Des considerations adequates du nouvel environnement mecanique du joint sont d'une importance cruciale pour une meilleure evaluation de la probabilite de succes dans divers essais de traitement.

Osteoarthritis is a significant economic burden on our society with ageing population. Effective preventive/treatment strategies depend on a thorough understanding of knee joint, and in particular cartilage, biomechanical behaviour in various physiological daily activities. Practical difficulties and ethical considerations in experimental methods present biomechanical models as an indispensable complemetary tool for assessment of the knee joint biomechanics. Existing biomechanical models of the knee have neglected anisotropic nature of cartilage and meniscus. The collagen fibrils networks, which change along the depth, appear to play a crucial role in biomechanics of these tissues and, hence, the entire joint.

In the present computational study, a poroelastic fibril-reinforced finite element model of cartilage was initially developed in which an appropriate membrane element was used to represent horizontal collagen fibrils. Volume fraction contents and the strain-dependent material properties for the pure collagen fibrils were explicitly accounted in the formulation. This approach, as compared to earlier ones, is more meaningful in not lumping various fibril properties (i.e. volume fraction and nonlinear stress-strain curve) into one stiffness term which risks losing its physical interpretation and significance. In this composite model, in accordance with tissue structure, the matrix and fibrils membrane network experienced dissimilar stresses despite identical strains in the fibre directions. Different unconfined compression and indentation case studies were performed to determine the distinct role of membrane collagen fibrils in nonlinear poroelastic mechanics of articular cartilage. By individual adjustments of the collagen volume fraction and collagen mechanical properties, the model allowed for the alterations in the fibrils network structure of the tissue that can simulate damage processes and repair attempts.

The primary orientation of collagen fibrils alters along the cartilage depth;​ being horizontal in the superficial zone, random in the transitional zone, and vertical in the deep zone. In a subsequent axisymmetric poroelastic model of cartilage, the three fibrillar networks at superficial, transitional and vertical zones based on the layerwise composite structure of cartilage were introduced. Membrane elements were used for horizontal superficial and vertical deep fibrils with appropriate formulation and volume content. Brick elements were used for transitional zone to consider random distribution of fibrils in this region. Therefore, at each increment of load and iteration of solution, continuum elements that take the principal strain directions as the material principal axes simulate reorientation of fibrils with tension-only stiffness. Under both relaxation and creep indentation loading conditions, it was shown that deep vertical fibrils play an important role in mechanics of articular cartilage by increasing the stiffness of the tissue and protecting the solid matrix against large distortions. This role, however, disappeared both with time in post-transient period and at loading rates slower than those expected in physiological activities such as walking.

Our foregoing axisymmetric model studies subsequently served as a foundation to extensively improve an existing 3-D model of the entire knee joint towards a novel one that considered, for the first time, the anisotropic nature of tibial and femoral cartilage layers in addition to menisci. Collagen fibrils networks in cartilage and menisci of knee joints change in content and structure from a region to another yielding highly nonlinear and nonhomogeneous tissues. While resisting tension, they influence global joint response as well as local strains particularly at short-term periods in activities such as walking and running. To investigate the role of fibrils networks in knee joint mechanics and in particular cartilage response in compression, a novel model of the tibiofemoral joint was developed that incorporated the cartilage and meniscus fibrils networks as well as depth-dependent properties in cartilage. The joint response at full extension under up to 2000 N compression was investigated for a number of conditions simulating the absence in cartilage of deep vertical or superficial fibrils networks as well as localised split of cartilage at subchondral junction or localised damages to superficial fibrils at loaded areas. It was shown that deep vertical fibrils network in cartilage plays a crucial role in stiffening and protecting articular cartilage from large tensile and shear strains, in particular at the subchondral junction. Superficial horizontal fibrils protected the tissue mainly from excessive stresses at superficial layers. Local cartilage split at base disrupted the normal function of vertical fibrils at the affected areas resulting in higher strains. Vertical fibrils, and to a lesser extent superficial fibrils, played dominant mechanical roles in cartilage response under transient compression.

This detailed model of the knee joint was also used to investigate the effect of isolated or concurrent ACL reconstruction and unilateral partial meniscectomy under 200 N drawer and 1500 N compression loads acting alone or combined. The extensive refinement in the meniscus allowed us both to consider its detailed ultrastructure of collagen fibrils with different arrangements at exterior surfaces and in the bulk regions and to properly simulate partial meniscectomy at the inner region of meniscus close to its posterior horn. Compressive preload further increased ACL strains/forces in drawer loading. Partial meniscectomy and perturbations in ACL prestrain and material properties, alone or together, substantially altered the load transfer via covered and uncovered areas of cartilage as well as contact pressure distribution on cartilage. Partial meniscectomy completely unloaded the cartilage area underneath the resected region which would otherwise articulate with the meniscus. Concurrent partial mensicectomy and slacker ACL further diminished the load via affected meniscus causing two distinct unloaded regions on the cartilage underneath it. Foregoing alterations are expected to further increase in presence of greater external forces, larger meniscal resections, complete ACL rupture and damages to cartilage fibril networks.

Novel models of cartilage and entire knee joint developed in the current study incorporated the detailed anisotropic and nonhomogeneous collagen fibrils networks. The predictions on joint kinematics, liagemnt forces and contact areas/pressures were in good agreement with reported experimental measurements. Role of deep vertical collagen fibrils, and to a lesser extent, horizontal superficial and random transitional fibrils networks in protecting the solid matrix from deleterious strains and in augmenting tissue stiffness were demonstrated. Any treatment modality attempting to repair or regenerate cartilage defects involving partial or full thickness osteochondral grafts should account for the crucial role of collagen fibrils networks and the demanding mechanical environment of the tissue. Alterations following ACL reconstruction attempts simulated by changes in prestrain and material properties as well as partial meniscectomy significantly changed the load distribution in the knee joint. Adequate considerations of the new mechanical environment of the joint are crucial for an improved assessment of the likelihood of success in various treatment attempts.