7. Les contraintes mécaniques : transmission et dissipation de l’énergie dans les tissus

1. Force, contrainte et déformation

D’abord, une force correspond à une action mécanique exercée sur un corps. En biomécanique, il faut toutefois distinguer la force globale de la contrainte réellement appliquée au tissu.

Plus précisément, la contrainte mécanique décrit l’intensité des forces internes rapportées à une surface. Elle peut être normale à cette surface — en compression ou en traction — ou tangentielle, dans le cas du cisaillementCisaillementLe cisaillement est une déformation produite par des forces parallèles ou tangentielles à une surface, qui font glisser l’une par rapport à l’autre des couches ou des régions voisines d’un tissu.Lire la fiche complète : Cisaillement. Par ailleurs, à l’interface avec un support, une force répartie sur une surface plus petite produit généralement une pression moyenne plus élevée. Cette mesure ne suffit toutefois pas à décrire toutes les contraintes internes du tissu.

Cette correction évite ainsi de confondre :

• pression mesurée à l’interface ;
• contrainte mécanique interne ;
• force globale.

Ensuite, la déformation décrit la modification de forme ou de dimension produite par la charge. Elle peut concerner :

• compression ;
• traction ;
• cisaillement ;
• torsion ;
• allongement ;
• déplacement relatif entre plusieurs plans tissulaires.

Un tissu peut donc subir une force importante sans présenter la même contrainte dans toutes ses régions. En effet, la géométrie, la surface d’appui, l’orientation des fibres et les interfaces entre les tissus influencent la distribution des contraintes.

Cette distinction est essentielle en position assise, car le poids total du corps ne suffit pas à décrire les contraintes subies par les tissus fessiers, pelviens ou postérieurs de la cuisse.

2. Compression, traction et cisaillement

Compression

La compression tend à rapprocher les éléments d’un tissu et à modifier sa forme ou son épaisseur. Dans les tissus fortement hydratés, la diminution apparente de volume dépend notamment de la possibilité pour le liquide de se déplacer. À court terme, une partie importante de la réponse peut ainsi prendre la forme d’une déformation et d’une redistribution des pressions, plutôt que d’une réduction immédiate du volume total. Elle peut également modifier :

• épaisseur du tissu ;
• pression interstitielle ;
• distribution de l’eau ;
• perfusion locale ;
• relations entre les différents plans tissulaires.

Dans l’ensemble, la réponse dépend de la quantité de fluide, de la matrice extracellulaireMatrice extracellulaireLa matrice extracellulaire est le réseau qui entoure les cellules d’un tissu. Dans les fascias, elle associe des fibres, surtout de collagène, à une substance fondamentale très hydratée, et donne au tissu ses propriétés mécaniques.Lire la fiche complète : Matrice extracellulaire, de la densité cellulaire et de la structure du tissu.

Traction

À l’opposé, la traction tend à éloigner les éléments du tissu. Elle sollicite particulièrement les fibres de collagène et les structures d’ancrage.

Selon l’orientation des fibres, la traction peut être transmise de manière très différente dans un tendon, un ligament, un fasciaFasciasLes fascias sont des structures de tissu conjonctif qui enveloppent, relient ou séparent certaines parties du corps. Le « système fascial » désigne un ensemble plus large de tissus conjonctifs considérés dans leur continuité fonctionnelle.Lire la fiche complète : Fascias ou un tissu cutané.

Cisaillement

Enfin, le cisaillement correspond à un déplacement relatif de couches ou de plans parallèles. Il peut apparaître lorsqu’une surface reste fixe tandis que les tissus se déplacent, ou lorsqu’une partie du corps glisse par rapport à une autre.

Le cisaillement est par ailleurs important dans les interfaces d’appui. Il peut en effet produire des déformations internes sans être entièrement détecté par une mesure de pression superficielle.

Les contraintes internes développées dans des postures prolongées peuvent associer compression, cisaillement et déformation, notamment à proximité des reliefs osseux (Gefen et al., 2012).

3. Une charge n’est pas uniformément répartie

D’une façon générale, la répartition d’une charge dépend de la géométrie du contact, des propriétés du support et de la forme des tissus.

Une charge est dite localisée lorsqu’elle s’exerce sur une petite surface ou autour d’une zone de forte concentration. Elle est dite répartie lorsque la même force est distribuée sur une surface plus large.

La répartition des charges dépend notamment :

• surface de contact ;
• courbure des interfaces ;
• rigidité relative du support et des tissus ;
• épaisseur des tissus mous ;
• présence de reliefs osseux ;
• posture ;
• possibilité de mouvement.

La conception du siège et les matériaux utilisés influencent donc la distribution des pressions d’interface. Ils influencent aussi certains indicateurs de perfusion dans la région fessière (Makhsous et al., 2012).

Une mesure de pression moyenne peut toutefois masquer des contraintes internes plus complexes. Autrement dit, une pression superficielle modérée n’exclut pas nécessairement la présence de déformations ou de cisaillements plus importants dans les tissus profonds.

4. Les tissus comme matériaux viscoélastiques

En règle générale, les tissus vivants ne se comportent ni comme des solides parfaitement élastiques, ni comme des liquides parfaitement visqueux.

Un matériau parfaitement élastique récupère immédiatement sa forme après la décharge. À l’inverse, un matériau parfaitement visqueux conserve une déformation liée à l’écoulement ou au déplacement interne. Les tissus biologiques présentent souvent un comportement intermédiaire : ils sont viscoélastiques.

En d’autres termes, leur réponse dépend :

• intensité de la charge ;
• durée d’application ;
• vitesse de déformation ;
• histoire mécanique du tissu ;
• composition ;
• température et hydratation.

La viscoélasticité se manifeste notamment par le fluage et la relaxation.

Fluage

Le fluage correspond à une augmentation progressive de la déformation lorsqu’une charge constante est maintenue.

Relaxation

La relaxation correspond à une diminution progressive de la contrainte lorsque la déformation est maintenue constante.

Ces phénomènes expliquent ainsi pourquoi une charge constante ne produit pas nécessairement une réponse constante dans le temps. La force mesurée peut diminuer, tandis que la déformation du tissu se poursuit ou se redistribue.

5. Le rôle de l’eau et de la poroélasticité

Certains tissus peuvent être décrits comme des milieux biphasés, comprenant une phase solide et une phase fluide. Leur réponse mécanique dépend alors à la fois de la déformation de la matrice et du déplacement du fluide qu’elle contient.

La poroélasticité désigne le comportement d’un milieu poreux saturé par un fluide. Lorsqu’une charge est appliquée, le fluide peut se déplacer dans le réseau et contribuer à la réponse globale du tissu.

Dans les tissus hydratés, deux phénomènes peuvent donc contribuer à la réponse temporelle :

• viscoélasticité intrinsèque de la matrice ;
• déplacement du fluide à travers le réseau poreux.

Lorsque ces deux contributions sont considérées conjointement, on parle de comportement poroviscoélastique. La réponse temporelle résulte alors à la fois des propriétés visqueuses de la phase solide et des échanges de fluide à travers le milieu poreux. Ces contributions peuvent produire des évolutions temporelles similaires, mais elles correspondent à des mécanismes distincts.

Les travaux de Mak le montrent par exemple pour la compression de tissus viscoélastiques hydratés. L’écoulement du fluide interstitiel peut contribuer à la dissipation mécanique. Les propriétés viscoélastiques de la matrice y contribuent également, ainsi qu’au comportement de relaxation (Mak, 1986).

Cependant, la poroélasticité ne signifie pas que tout mouvement de fluide est bénéfique. Elle décrit plutôt un couplage mécanique entre la phase solide et la phase liquide.

6. Transmission, stockage et dissipation de l’énergie

Lorsqu’une force est appliquée à un tissu, l’énergie mécanique reçue peut être :

• transmise à d’autres régions ;
• temporairement stockée sous forme de déformation élastique ;
• dissipée sous forme de chaleur et de frottements internes ;
• mobilisée dans les déplacements et les gradients de pression de la phase fluide ;
• utilisée pour produire une déformation irréversible ;
• convertie en signaux mécaniques perçus par les cellules.

Un tissu ne restitue donc pas nécessairement toute l’énergie reçue. Une partie peut notamment être dissipée par :

• frottements entre les constituants ;
• déplacements du fluide ;
• réarrangements de la matrice ;
• réorganisations et interactions internes entre les constituants de la matrice ;
• mouvements relatifs entre les fibres et les cellules.

Cette dissipation peut limiter la restitution immédiate de l’énergie et modifier la propagation des sollicitations. Elle n’est toutefois pas nécessairement protectrice. Selon son intensité, sa répétition et l’état du tissu, elle peut aussi s’accompagner d’échauffement local, de déformations résiduelles ou de dommages. Une sollicitation répétée ou excessive peut ainsi entraîner une accumulation de déformations et de dommages.

La relation entre charge, déformation et énergie dépend donc du temps et de l’état du tissu.

7. L’importance de la durée et de la vitesse

Une même charge globale peut produire des effets différents selon la durée de son application.

Par exemple, une charge brève peut générer une déformation transitoire, avec récupération partielle ou complète. À l’inverse, une charge maintenue peut provoquer du fluage, une redistribution des fluides et une augmentation de la déformation locale.

La vitesse d’application intervient également. Les tissus peuvent donc répondre différemment à une charge rapide et à une charge lente. Les mécanismes de relaxation et de déplacement des fluides n’ont en effet pas le temps de se développer identiquement.

Des études sur les lésions tissulaires profondes montrent que l’intensité de la déformation et la durée d’exposition interagissent dans la production de dommages. D’un côté, une déformation locale importante peut produire une atteinte rapide. Une charge moins intense mais prolongée peut également devenir défavorable (Gefen et al., 2012).

Il faut donc éviter de rechercher un seuil unique de pression, valable pour tous les individus et toutes les situations.

8. Charge continue et charge alternée

Une charge continue maintient une même région dans des conditions mécaniques relativement constantes. En revanche, une charge alternée modifie périodiquement l’intensité, la direction ou la localisation de la sollicitation.

Cette alternance peut notamment :

• réduire la durée d’exposition d’une zone ;
• redistribuer les contraintes ;
• modifier les déformations internes ;
• permettre une récupération partielle ;
• renouveler les conditions de pression et de perfusion.

Cependant, une alternance n’est pas automatiquement protectrice. Son effet dépend en effet de l’amplitude, de la fréquence, de la durée des phases de décharge et de l’état du tissu.

À cet égard, une étude expérimentale publiée en 2010 montre que les dommages musculaires induits par la déformation dépendent de l’histoire temporelle du chargement. Elle indique notamment qu’une brève période de décharge intermédiaire ne suffit pas nécessairement à empêcher les effets cumulés de deux phases de chargement prolongé (Ceelen et al., 2010).

La variabilité mécanique doit donc être évaluée en fonction de sa capacité réelle à modifier les conditions tissulaires, et non de sa seule existence.

9. De la contrainte mécanique à la réponse biologique

Les cellules sont sensibles aux propriétés mécaniques de leur environnement. Ainsi, une déformation peut modifier la tension de la membrane, l’organisation du cytosquelette, les adhérences et certaines voies de signalisation.

Cette conversion d’une contrainte mécanique en réponse biologique relève de la mécanotransductionMécanotransductionLa mécanotransduction est le processus par lequel une cellule convertit une sollicitation mécanique, comme un étirement, une pression ou un cisaillement, en signaux biochimiques qui modifient son activité.Lire la fiche complète : Mécanotransduction. Elle sera développée par la suite dans l’article A8.

A7 doit cependant poser une distinction essentielle :

• contrainte mécanique : événement physique ;
• déformation : réponse du tissu ;
• signalisation mécanique : réponse cellulaire ;
• adaptation biologique : modification fonctionnelle ou structurelle dans le temps.

La transmission mécanique peut se prolonger de la matrice extracellulaire vers les intégrines, les adhérences focales et le cytosquelette. En outre, celui-ci est relié à l’enveloppe nucléaire par le complexe LINC, ce qui permet à certaines forces et déformations d’atteindre la lamina et la chromatine. Les mécanismes par lesquels cette continuité mécanique modifie les échanges nucléocytoplasmiques et l’expression de certains gènes seront toutefois examinés dans A8 (Kirby & Lammerding, 2018).

Ces niveaux ne doivent donc pas être confondus. En particulier, une force mesurée ne permet pas à elle seule de déduire la réponse cellulaire ou le bénéfice clinique.

10. Ce que cela change pour la position assise

En position assise, le corps transmet une partie de son poids à la surface de soutien. Cette transmission dépend notamment de la géométrie du siège, de la posture, des tissus mous, des reliefs osseux et des mouvements de la personne.

La même charge globale peut être répartie différemment selon :

• surface d’appui ;
• profondeur et largeur du siège ;
• rigidité du matériau ;
• forme du bassin ;
• orientation du tronc ;
• contact avec le dossier ;
• mouvements du bassin ;
• glissement ou cisaillement.

Les études sur la distribution des pressions le confirment d’ailleurs. La conception du siège et les matériaux modifient en effet les pressions d’interface et certains indicateurs de perfusion (Makhsous et al., 2012).

Les modèles de déformation des tissus suggèrent également une forte hétérogénéité des contraintes internes. Elle concerne en particulier les zones proches des reliefs osseux, ainsi que les tissus profonds (Gefen et al., 2012 ; Chen et al., 2022).

Il faut toutefois éviter de conclure qu’une pression élevée produit nécessairement une lésion, ou qu’une pression plus faible garantit une réponse favorable. La durée, la déformation, le cisaillement, la perfusion, l’état des tissus et la capacité de repositionnement interviennent également.

11. Ce qu’il faut retenir

En somme, les effets d’une charge mécaniqueCharge mécaniqueLa charge mécanique désigne l’ensemble des forces appliquées au corps ou à un tissu. Elle se décrit par plusieurs variables : intensité, direction, zone d’application, durée, fréquence, vitesse de mise en charge et récupération entre les expositions.Lire la fiche complète : Charge mécanique ne dépendent pas uniquement de sa magnitude.

Ils dépendent également :

• surface sur laquelle elle s’exerce ;
• localisation ;
• orientation ;
• durée ;
• vitesse d’application ;
• répétition ;
• capacité du tissu à transmettre, dissiper ou récupérer la déformation.

Cette formulation permet ainsi de relier la mécanique des tissus à la problématique de l’assise, sans réduire l’analyse à la seule pression d’interface.

Bilan de l’article

En résumé, les tissus vivants transmettent, répartissent, emmagasinent et dissipent les forces qu’ils reçoivent. Leur réponse dépend de leur composition, de leur hydratation, de leur architecture, de leur viscoélasticité, de leur poroélasticité et de leur histoire mécanique.

Une charge localisée, une charge répartie, une charge continue et une charge alternée ne produisent donc pas nécessairement les mêmes effets. De même, la durée et la vitesse d’application peuvent modifier la déformation, la relaxation, le déplacement des fluides et la dissipation de l’énergie.

Par conséquent, en position assise, l’analyse doit dépasser la seule pression mesurée à l’interface. Il faut également considérer les contraintes internes, le cisaillement, la déformation des tissus, la durée d’exposition et les possibilités de changement de configuration.

Une assise fonctionnelle ne devrait donc pas seulement réduire une valeur maximale de pression. Elle devrait contribuer à éviter la concentration durable des contraintes, et laisser la possibilité d’une redistribution adaptée des charges.