Modélisation de l'écoulement dans une biocéramique à pores sphériques interconnectés : Application aux bioréacteurs

Numerical modelling of fluid flow in a bioceramic with spherical interconnected pores : Application to bioreactors

• Auteur / Autrice : Trong-Khoa Nguyen
• Direction : Philippe Hivart
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 28/06/2013
• Etablissement(s) : Artois
• Ecole(s) doctorale(s) : ED Sciences pour l'ingénieur (n°72)
• Jury : Président / Présidente : Feng Chai
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Hivart, Feng Chai, Ileana-Constanţa Roşca, Pascal Vantomme, Olivier Carpentier, Stéphane Leprêtre
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ileana-Constanţa Roşca, Pascal Vantomme

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bioréacteurs

Prothèses

Modèles mathématiques

Dynamique des fluides

Biomatériaux

Mots clés libres

Substitut osseux

Biomatériaux hybrides

Culture cellulaire

Bioréacteur

Modèle microfluidique

Milieu poreux

Perméabilité

Débit

Bone implant

Hybrid biomaterials

Cell culture

Bioreactor

Microfluidic model

Porous media

Permeability

Flow rate

Résumé

Combler une perte osseuse est une nécessité fréquente en chirurgie. L’usage d’implants biocéramiques est limité, conduisant au delà de quelques cm3, inaccessibles à l’ostéogénèse, à une hétérogénéité intrinsèquement fragile et une vascularisation interrompue. Les biomatériaux hybrides sont une solution. Ensemencée, la céramique est mise en culture en bioréacteur, un fluide y circulant afin d'alimenter les cellules et d’évacuer leurs déchets.L’étude porte sur une céramique en phosphate de calcium dont l’architecture interne consiste en pores sphériques interconnectés de quelques centaines de microns de diamètre. Le choix du débit et de l'écoulement à travers ce matériau reste jusqu’ici empirique. Pour optimiser la culture, il s'avère cependant nécessaire de savoir les déterminer en tout point afin de pouvoir les optimiser et les reproduire et, à terme, d'optimiser le choix de la biocéramique.L'étude numérique s'impose car les grandeurs physiques finales recherchées (vitesses et pressions locales) ne sont pas mesurables sur la structure microscopique. Or, ces grandeurs optimisées permettent de définir les grandeurs d'entrée optimales. Le protocole débute par une modélisation de la microstructure et le calcul de la taille du VER afin d'identifier la perméabilité intrinsèque du milieu. Une analyse statistique de la répartition des contraintes tangentielles en fonction des grandeurs moyennes homogénéisées permet ensuite d'identifier les paramètres d'entrée optimaux dans le VER. Finalement, une optimisation globale de la résolution des équations de Navier-Stokes sur la structure homogénéisée permet de définir le paramètre final, à savoir le débit de contrôle du bioréacteur.

Repairing a bone loss is a frequent need in orthopaedic surgery. Though now much developed the use of bioceramic implants is limited: a bulk greater than a few cm3 does not allow a complete osteogenesis. So an intrinsic brittle heterogeneity remains with an interrupted vascularization. Hybrid biomaterials are a solution. Seeded ceramics are cultured in a bioreactor, a fluid flowing through the material to feed the cells and to clear their waste out.This study focuses on a calcium phosphate ceramic whose internal architecture consists of spherical interconnected pores of a few hundred microns in diameter. The choice of the flow rate or other flow parameters through the material remains far empiric. To optimize the cell culture, it is however necessary to know how to determine them at any point in order to optimize and reproduce them and eventually to optimize the choice of the bioceramic.A numerical study is necessary because the final desired physical parameters (local velocities and pressures) are not measurable on a microscopic structure. However, these quantities are used to define the optimal input values. The protocol begins in modelling the microstructure and determining the size of the representative elementary volume (REV) in order to identify intrinsic permeability of the material. A statistical analysis of the distribution of shear stresses based on homogenized average values then leads to identify optimal input parameters in the REV. Finally, a global optimization of solving of the Navier-Stokes equations on the homogenized structure leads to define the final parameter, namely the flow of control of the bioreactor.