Etude des écoulements et des transferts de masse dans différentes géométries de foie bioartificiel

Flow and mass transfer studies in different geometries of bioartificial liver

• Auteur / Autrice : Aude Gautier
• Direction : Cécile Legallais, Aïssa Ould Dris
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Bio-ingénierie, biomécanique, biomatériaux
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Compiègne

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bioréacteurs

Transfert de masse

Génie tissulaire

Microencapsulation

Alginates

Cellules hépatiques

Organes artificiels

Foie

Mots clés libres

Foie bioartificiel

Encapsulation

Bio-ingénierie

Membrane

Lit fluidisé

Foie artificiel

Résumé

Les systèmes bioartificiels de suppléance hépatique doivent permettre au patient d'attendre, soit une greffe, soit la régénération de l'organe, une fois les agents toxiques éliminés. Ces dispositifs reposent sur l'utilisation de cellules fonctionnelles dans un environnement adapté et placées dans un circuit extracorporel. Dans ce travail, l'objectif a été de caractériser différentes géométries de foie bioartificiel en comparant les fonctionnalités de mêmes cellules (C3A) : lit fluidisé classique (la référence) avec des billes d'alginate de 1000 µm de diamètre; nouveau type de fluidisation avec des billes de diamètre plus faible (600 µm); dispositifs à fibres creuses utilisés classiquement par des équipes concurrentes; système Air Lift doté d'un apport d'air permettant la circulation du fluide. Dans chaque système, les écoulements et les transferts desmatière des nutriments et des métabolites ont été caractérisés en absence et en présence de cellules de façon expérimentale et à l'aide de modèles mathématiques. Dans les cas 1 et 2, il s'est avéré que les transferts de masse étaient quasiment identiques pour les diamètres de billes 600 et 1000 µm. La viabilité et les fonctionnalités des cellules ont été étudiées sur 48h de culture montrant des résultats très satisfaisants et prouvant ainsi l'innocuité du dispositif. Dans le cas 3, différents types de fibres creuses ont été caractérisées, permettant de déduire que la membrane de porosité intermédiaire est la plus prometteuse en vue de l'application clinique. Dans le cas 4, le système Air Lift a pour avantage d'avoir un coefficient de transfert de masse plus important que dans le cas du lit fluidisé, en absence de cellules

Bioartificial liver devices must allow patients to wait either for the organ to regenerate itself once toxins are eliminated or for a hepatic graft. These extracorporeal systems are based on the use of cells cultured in an adequate environment. The objective of the thesis is to characterize different geometries of bioartificial liver by comparing the metabolic activities of a same cell culture (C3A) for each of them : classical fluidized bed (reference case) with alginate beads of 1000 µm diameter; new type of fluidization with lower bead diameter (600 µm); systems with hollow fiber membranes commonly used by other teams; Air Lift reactor in which with air permits the fluid circulation. In each system, flow and mass transfers of nutrients and metabolites have been characterized in absence and in presence of cells both experimentally and using mathematical models. In cases 1 and 2, mass transfers were roughly identical for bead diameters of 600 and 1000 µm. Cell viability and metabolic activities have been studied for 48h cultures showing satisfactory results and proving the innocuousness of the system. In case 3, different types of hollow fibers have been characterized. It has been shown that the membrane with the intermediate porosity is the most promising for clinical application. In case 4, the Air Lift system has the advantage in absence of cells to have a mass transfer coefficient higher than in the case of fluidized bed.