Une méthode innovante pour l’identification des propriétés mécaniques d’échantillons isotropes compressibles basée sur l’aspiration par micropipette : Application à l’étude des gels de polyacrylamide dans des domaines linéaire et non-linéaire de déformations

An original method for identifying the mechanical properties of isotropic compressible samples based on the micropipette aspiration : application to the study of polyacrylamide gels in the linear and non-linear domains of strains

• Auteur / Autrice : Thomas Boudou
• Direction : Jacques Ohayon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Université Joseph Fourier (Grenoble ; 1971-2015)

Mots clés

Mots clés libres

Aspiration par micropipette

Isotropes

Polycrylamide

Résumé

Nous avons cherché ici à développer une technique permettant de caractériser la rhéologie d'échantillons biologiques: l'aspiration par micropipette. Parallèlement à la mise en œuvre de l'expérience, nous avons développé un modèle théorique de l'enpérience. Ainsi, et grâce à la mise en place d'une modélisation aux éléments finis, nous avons réussi à proposer une méthode originale permettant de quantifier les propriétés mécaniques d'échantillons biologiques isotropes. Afin de valider cette méthode, nous nous sommes intéressé à des substrats cellulaires bien connus en biologie, les gels de polyacrylamide. Ces polymères sont en effet régulièrement utilisés afin d'étudier l'influence de la rhéologie du substrat sur les processus cellulaires ou pour mesurer les forces de traction cellulaires. Il existait donc le besoin fort d'une quantification précise des propriétés mécaniques de ces gels auquel nous avons répondu en établissant leur quasi-incompressibilité et en proposant une relation entre rigidité et concentrations initiales en monomères. Ayant observé que ces gels pouvaient présenter un comportement non-linéaire lorsqu'ils étaient soumis à de fortes aspirations, nous avons étendu notre modèle numérique et nous avons réussi à développer une méthode de caractérisation des propriétés hyperélastiques non-linéaires grâce à laquelle nous avons caractérisé le comportement rhéologique de ces gels soumis à de grandes déformations. En étudiant l'importance de ce comportement sur des mesures de forces de traction cellulaires précédemment publiées, nous avons observé des écarts de près de 50% lorsque le comportement non-linéaire était ou non pris en compte.

The quantification of the mechanical properties of biological samples is a key issue for the modern biology and we focused here on extending the micropipette aspiration technique to characterize the rheology of biological samples. Using a finite element analysis of the sample aspiration into the micropipette, we developed an original method for simultaneously quantifying rigidity and compressibility of isotropic biological samples. Ln order to validate this mehod, experiments were conducted on adherent polyacrylamide gels, polymers whieh are frequently used in biology for studying the influence of the substrate rheology on cell processes or for measuring cell traction forces. There was thus a strong need for an accurate characterization of their mechanieal properties. We established here the quasi-incompressibility of these gels and we proposed a relationship between their rigidity and the initial concentrations of monomers. Moreover, we observed a non-linear behaviour of these polymers when they were submitted to large pressures. We extended our previous numerical model and we succeed at developing a new method of quantification of the hyperelastic non-linear properties, which was used to fully characterize the rheological behaviour of these polyacrylamide gels submitted to large deformations. As an illustration of the implications of our results, we considered the quantification of cell traction stresses obtained b traction force microscopy methods. We thus observed significant differences when considering polyacrylamide gels either as linear elastic or nonlinear hyperelastic media.