Rôle des phénomènes de transport dans la mise au point de stratégies thérapeutiques de réparation osseuse

Role of transport phenomena in the development of new therapeutic protocols for bone reconstruction

• Auteur / Autrice : Sarah Lemonnier
• Direction : Salah Naili
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 08/04/2014
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Modélisation et Simulation Multi-Échelle - MSME
• Jury : Président / Présidente : Joëlle Amédée Vilamitjana
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Salah Naili, Thibault Lemaire, Patricia Albanese
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Boiron, Lalaonirina R. Rakotomanana

Mots clés

Mots clés contrôlés

Périoste

Os -- Régénération (biologie)

Génie tissulaire

Biomécanique

Mots clés libres

Biomécanique

Génie tissulaire osseux

Phénomènes multiphysiques

Simulation numérique

Bioréacteur

Périoste

Biomechanics

Bone tissue engineering

Multiphysic phenomena

Numerical simulation

Bioreactor

Periosteum

Résumé

L'objectif de ce travail de thèse est de dégager des méthodes et des outils permettant de mieux comprendre le rôle joué par les phénomènes de transport (cellulaire, hydraulique et chimique) dans la mise au point de stratégies thérapeutiques de réparation osseuse. Pour cela, nous avons choisi d'associer deux approches : la réalisation d'études expérimentales et la mise au point de modèles numériques. Nous avons ainsi pu, lors d'une première étude présentée dans le chapitre 2 de ce document, relier la perméabilité intrinsèque d'un milieu poreux, paramètre déterminant dans l'étude du transport de fluide en son sein, à la structure géométrique de ses pores. Nous avons également mis en évidence l'importance des interactions électrochimiques lors de la progression d'une solution ionique (telle que les fluides physiologiques) à travers le tissu osseux, en raison de la structure poreuse et de la composition chimique (présence de fibres de collagènes chargées par exemple) de ce dernier. Ces outils ont ensuite permis d'analyser, en première approche, les résultats expérimentaux obtenus lors de la réalisation de tests de perméabilité sur des échantillons de périoste fémoral ovin, dans le but d'identifier les phénomènes physico-chimiques à l'origine du comportement particulier de cette membrane (chapitre 5). Nous nous sommes par ailleurs intéressés au développement d'implants osseux associant un substrat minéral biocompatible et des cellules souches mésenchymateuses, afin de favoriser une reconstruction tissulaire en volume des lésions de grande taille. Nous avons ainsi pu mettre en place, dans le chapitre 3, un dispositif expérimental permettant de réaliser de manière reproductible un test d'ensemencement cellulaire et d'évaluer le nombre, la répartition et le taux de viabilité des cellules greffées sur le biomatériau utilisé. A partir des résultats expérimentaux issus des tests d'ensemencement cellulaire, nous avons ensuite développé un modèle numérique dans le chapitre 4, pour dégager un ensemble de critères à respecter dans l'élaboration d'un substitut osseux qui favoriserait un développement tissulaire homogène contrôlé lors des premières étapes de la culture in vitro de ce type d'implants. Ce modèle constitue une première étape dans la détermination d'un cahier des charges géométrique de tels substrats

This study aims to set up methods and tools to improve our understanding of the role played by transport phenomena (transport of cells, fluid and chemical species) in the development of new therapeutic protocols for bone reconstruction, using a double approach: experimental studies and numerical simulations. Hence, in the second chapter of this document, we have been able to link the intrinsic permeability of a porous medium – a key parameter regarding fluid transport through porous media – to the geometric structure of its pores. We have also highlighted the influence of electrochemical interactions on the flow of an ionic solution (such as physiologic fluids) through cortical bone, due to its porous structure and its chemical composition (presence of electrically charged fibers). These tools have then enabled us to analyze, at first glance, the experimental results of permeability tests conducted on ovin femoral periosteum, to identify the chemical-physical phenomena responsible for the specific behavior of this membrane (chapter 5). We also focused on the development of large bone implants coupling a mineral substitute and mesenchymal stem cells to enhance a volumic reconstruction of critical-sized bone defects. We have therefore designed, in chapter 3, a custom experimental set up that allows one to perform a reproducible cell seeding test on a porous scaffold and quantify the number of seeded cells as well as their viability rate. The experimental results provided by these tests have then initiated the numerical model exposed in chapter 4, that aims to highlight criteria to meet regarding the design of new bone substitutes that would enhance a homogeneous volumic tissue growth during the first stages of the extit [in vitro} development of coupled implants