Etude expérimentale et modélisation multi-échelles de la croissance tissulaire dans un bioréacteur à perfusion : Application à l’ingénierie tissulaire osseuse

Experimental study and multiscale modeling of tissue growth in a perfusion bioreactor : Application to bone tissue engineering

• Auteur / Autrice : Claire Beauchesne
• Direction : Benoît Goyeau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Soutenance le 06/11/2019
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux et géosciences (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'énergétique moléculaire et macroscopique, combustion (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : CentraleSupélec (2015-....)
• Jury : Président / Présidente : Patrick Perré
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Benoît Goyeau, Patrick Perré, Azita Ahmadi-Sénichault, Fabrice Golfier, Yohan Davit, Bertrand David
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Azita Ahmadi-Sénichault, Fabrice Golfier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bioréacteurs

Écoulement en milieux poreux

Génie tissulaire

Mots clés libres

Transport en milieux poreux

Croissance tissulaire

Bioréacteur à perfusion

Prise de moyenne volumique

Ingénierie tissulaire

Métabolisme cellulaire

Transport in porous media

Tissue growth

Perfusion bioreactor

Volume Averaging Method

Tissue engineering

Cellular metabolism

Résumé

L'ingénierie tissulaire intervient pour restaurer le tissu osseux. Parmi les traitements possibles, l'utilisation d'un bioréacteur à perfusion permet l'amplification in vitro de cellules souches ou osseuses prélevées chez le patient avant réimplantation. La contrainte de cisaillement générée par l'écoulement stimule mécaniquement les cellules et amplifie la production tissulaire. Cette technique souffre cependant de sa conception empirique et doit à présent être optimisée. L'objectif de cette thèse est l'étude et la modélisation de la croissance tissulaire et de la prolifération cellulaire à l'échelle du bioréacteur. En particulier, il s'agit de comprendre l'impact de l'écoulement sur la formation du tissu. Pour cela, une double approche de modélisation et d'expérimentation a été adoptée. Des expériences de culture cellulaire ont permis de mettre au jour la prolifération préférentielle des cellules près des parois du bioréacteur comme conséquence de l'hétérogénéité du support, et l'évolution de la morphologie du tissu. Un modèle prédisant le devenir des cellules ainsi que la croissance tissulaire à l'échelle du bioréacteur est proposé. L'aspect multi-échelles du problème est pris en considération et les procédures d'homogénéisation sont menées à bien grâce à la méthode de prise de moyenne volumique.

Bone tissue engineering aims at restoring bone tissues. Among the possible treatments, the use of a perfusion bioreactor allows the amplification in vitro of the patient bone or stem cells prior to implantation. The advantage of using such bioreactors is two-fold: in addition to greatly improving species transport, tissue production is enhanced. Although promising, this technique suffers from its empirical conception and now needs to be optimized. The purpose of this thesis is to study and model tissue growth and cell proliferation under a fluid flow of culture medium at the scale of the bioreactor. In particular, we wish to understand the impact of fluid flow on tissue formation. To this end, a double approach of experimentation and modeling has been adopted. Cell culture experiments in a perfusion bioreactor highlighted the preferential cell proliferation in the parietal region as a consequence of the heterogeneity of the scaffold, and the evolution of the tissue morphology. A model for predicting the cell's fate along with tissue growth at the scale of the bioreactor is proposed. The hierarchy of the system is considered and the upscaling procedures are carried out with the Volume Averaging Method.