Analyse théorique de bioréacteurs et d'implants utilisés en génie tissulaire osseux et cartilagineux

Theoretical analysis of bioreactors and implants dedicated to bone and cartilage tissue engineering

• Auteur / Autrice : Julien Pierre
• Direction : Christian Oddou
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biomécanique
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Paris 12

Mots clés

Mots clés contrôlés

Oxygène dans l'organisme

Tissus (histologie) -- Cultures cellulaires

Bioréacteurs

Cartilage

Tissu osseux

Résumé

Ce travail traite des problématiques liées à la culture d'organoïdes osseux ou cartilagineux cultivés sous processus de perfusion. Ces procédés sont susceptibles d'améliorer significativement le développement tissulaire par l'application de stimuli mécaniques, par l'augmentation du transport de nutriments et d'oxygène, ou par une combinaison de ces phénomènes. Plusieurs modèles mathématiques établis en une, deux ou trois dimensions décrivznt, à l'échelle de l'organoïde eu de ses pores tapissés d'une couche cellulaire, les conditions de culture en terme d'oxygénation et de contraintes de cisaillement générées par l'écoulement du liquide nutritif. Les échelles de temps prises en comptent varient, selon les modèles, de l'heure à la semaine. Dans certaines conditions de culture, les résultats obtenus suggèrent que les conditions environnementales "ressenties" par les cellules sont susceptibles d'être significativement différentes des conditions relevées à l'échelle de l'organoïde. Expérimentalement, il est à l'heure actuelle difficile, voire impossible, de cultiver des organoïdes osseux de grandes dimensions sous processus de perfusion axiale. Selon les résultats obtenus, ces difficultés pourraient être en partie liées à un paradoxe voulant que l'amélioration des conditions de culture, d'un point de vue mécanique, se fasse au détriment des conditions d'oxygénation cellulaire (et inversement). Enfin, les conditions d'oxygénation lors de la culture d'organoïdes cartilagineux sont analysés dans le but de mieux caractériser leur processus d'obtention et de suggérer de futures études expérimentales.

This work aims to better understand the perfusion cultures of bony and cartilaginous tissue engineered implants. Perfusion culture processes may improve tissue development via enhanced transport of nutrients or gases as well as the application of mechanical stimuli, or a combination of these factors. Several mathematical models are established in one, two or three dimensions at the length scale of the implant or of its pores. This models describe the culture conditions in terms of oxygenation and flow generated shear stresses. According to the considered biological phenomena, the time scale varies from few hours to one week. Depending on the culture conditions, results suggest that the local conditions "experienced" by the cells could be significantly different from the conditions obtained at the implant length scale. Experimentally, the culture of "large" bony implants under axial perfusion process remains difficult or impossible. The results suggest that such experimental difficulties could be partially explained by a paradox : the improvement of mechanical culture conditions is done to the detriment of the cell oxygenation (and conversely). At last, the oxygenation conditions of cartilaginous implants are analyzed in order to better characterize their culture process and to suggest future experimental work.