Les
propriétés mécaniques des ligaments :
de Wouters d’Oplinter Vinciane, Vanden Bossche
Sophie, Christiaens Samuel, Lecarte Philippe, Dawagne Catherine, Steenhaut
Marie Chantal
1re
licence en kinésithérapie, 2001 - Institut d’enseignement supérieur Parnasse -
Deux Alice
Professeur :
François Biebuyck
1. Généralités
Le système
ligamentaire conserve une orientation de base longitudinale mais il y coexiste
des [L1]fibres
orientées différemment. Ceci est du au fait que ceux-ci sont soumis à des
contraintes variées ce qui détermine une structure incluant quelques fibres non
orientées(voir figure n°1). Les ligaments sont des matériaux composites et
incompressibles. Ils sont constitués de tissu conjonctif dense, de fibres
collagènes et de fibres élastiques. Comme la capsule articulaire, les ligaments
sont riches en vaisseaux et nerfs.
Le ligament nucal et
les ligaments jaunes se composent de 2/3 de fibres élastiques ce qui les
distinguent des autres ligaments. Leur teneur en fibres élastiques est si
élevée qu’on appelle le tissu conjonctif de ces structures ‘tissu conjonctif
élastique’ pour le distinguer du tissu conjonctif dense, où prédominent les
fibres collagènes.
2. Le tissu conjonctif
Le tissu conjonctif
dense régulier forme aussi des ligaments qui unissent les os dans les
articulations. Les ligaments contiennent plus de fibres élastiques que les
tendons et sont de ce fait légèrement plus extensibles.
La résistance d’un
tissu conjonctif dense dépend du nombre de fibres, de leur densité et de leur
organisation spatiale.
La présence de fibres
élastiques dans le tissu conjonctif dense participe au comportement
visco-élastique de ce dernier.
3. Les fibres collagènes
Les fibres collagènes
sont principalement constituées de collagène, une protéine fibreuse. Les
molécules de collagène sont sécrétées dans le liquide interstitiel ; là,
elles s’assemblent spontanément pour former des fibres entrelacées. Les fibres
collagènes ont une vitesse de renouvellement assez lente puisque leur demi-vie
est estimée à environ 300-500 jours.
Les fibres collagènes
sont extrêmement robustes et disposées longitudinalement dans l’axe des forces
de traction (force longitudinale provoquant l’extension). En général, la
résistance à la traction est supérieure à celle des os dans lesquels ils se
fixent. Des essais ont démontré que les fibres collagènes sont plus résistantes
que les fibres d’acier de même calibre !
4. Les fibres élastiques
Les fibres élastiques
sont principalement composées d’une autre protéine fibreuse, l’élastine qui
rend la matrice caoutchouteuse, c’est-à-dire à la fois souple et résistante aux
chocs. L’élastine est enroulée irrégulièrement sur elle-même, ce qui lui permet
de s’étirer et de reprendre sa forme. Les fibres élastiques sont un matériau
fragile. Elles peuvent s’allonger de deux fois leur longueur, puis se rompent
soudainement sans déformation. Quand le tissu conjonctif atteint un certain
degré d’étirement, les épaisses fibres collagènes qui accompagnent toujours les
fibres élastiques deviennent rigides. Puis, lorsque la tension se relâche, les
fibres élastiques reprennent leur position initiale et redonnent au tissu
conjonctif sa longueur et sa forme normales.
Comme les fibres
élastiques sont jaunes, on les appelle parfois fibres jaunes. Les ligaments
jaunes tels ceux de la colonne vertébrale sont très riches en fibres élastiques
(2/3 de leurs fibres) et ont de ce fait une plus grande extensibilité. En
station debout, les ligaments jaunes sont les seuls à être mis sous tension.
5. La résistance des ligaments
a) Généralités
Souvent les ligaments
renforcent les capsules dans les zones où celles-ci sont le plus sollicitées
(ligaments péri-articulaires de hanche par exemple) et peuvent jouer un rôle
essentiel dans la stabilité d’une articulation. La fonction essentielle des
ligaments découle de la constance de leur longueur, elle peut être résumée par
l’inextensibilité.
Si les autres
facteurs de stabilité ne sont pas suffisants, les ligaments peuvent toutefois
être soumis à une tension excessive qui provoquera leur étirement. Des
ligaments étirés ne reviennent jamais à leur position initiale, un peu comme du
caramel ; d’autre part, ils se déchirent si l’étirement dépasse 6 % de
leur longueur. La résistance des tendons et des ligaments humains est in vitro
du même ordre, de 90 à 100 Newton/m2 (Mac Master).
Par conséquent, une
articulation n’est pas très stable si ce sont des ligaments qui en constituent
le principal moyen de soutien.
b) Caractéristiques mécaniques
Ils ont
une grande résistance physique et une faible résistance physiologique ;
ils sont plus résistants à la traction qu’à la torsion. Flexibles et souples
ils sont peu extensibles et peu élastiques (sauf le ligament jaune).
Les courbes de
résistance à la traction montrent quatre phases bien différentes. Après une
première phase de mise en place et d’orientation des fibres, une phase de
déformation élastique assez longue est variable avec chaque ligament. Parvenue
à un certain seuil (force dite de « limite élastique ») survient une
phase de déformation plastique irréversible et très courte. On obtient en effet
assez vite la limite de rupture et la dernière phase est celle de rupture
ligamentaire.
Les différentes
mesures qui ont été faites donnent par exemple pour les ligaments croisés du
genou chez l’homme une limite élastique de 40 à 50 kilos-force, une limite de
rupture de 50-60 kilos. L’allongement élastique maximum est d’environ 25 %.
L’allongement plastique maximum est d’environ 30 %. La simple étude de ces
chiffres peut expliquer qu’il existe des entorses avec étirements ligamentaires
mais, qu’en fait, ceux-ci ont la même signification qu’une rupture vraie. Pour
des ligaments croisés de 22 à
-
Situation
après immobilisation :
L’immobilisation
provoque le catabolisme du collagène ce qui rend les ligaments plus faibles.
Une étude (Noyes, 1977) a montré qu’une immobilisation stricte de 8 semaines
fait décroître de plus de 40 % la résistance à la rupture et la capacité à
emmagasiner l’énergie des ligaments.
Une autre étude (Woo,
1987), trouve des déficits supérieurs à 70-80 %, après 9 semaines
d’immobilisation.
Le temps de retour à
la solidité mécanique antérieure est voisine de 12 mois. Après 5 mois, le
déficit est encore de 20 %.
-
Facteurs de variabilité :
Les variations individuelles sont notables.
L’âge, le sexe et l’entraînement sportif sont parmi les facteurs déterminants.
A partir de 40 ans, la résistance tend à diminuer ; elle est moins élevée
chez la femme et chez les sédentaires.
La
température des ligaments modifie aussi leurs qualités mécaniques. Suivant une
expérience sur cadavre, on observe une rupture du ligament croisé à partir
d’une tension de 1730 Newton chez une personne jeune et à partir de 734 Newton
chez une personne âgée.
Lexique.
La
visco-élasticité est le
caractère d’un solide à la fois élastique et visqueux.
Visqueux = de consistance pâteuse, ni liquide ni solide,
gras, gluant./qui possède une viscosité élevée.
La viscosité est la résistance au frottement qui s’oppose
au déplacement des molécules les une par rapport aux autres. La viscosité est
un caractère de ce qui est visqueux/résistance d’un fluide à l’écoulement
uniforme et sans turbulence.
L’élasticité est la propriété que possèdent certains corps
de reprendre leur forme quand la force qui les déformait a cessé d’agir.
Références
bibliographiques :