Analyse expérimentale de la dynamique de nage des spermatozoïdes

Spermatozoa swimming experimental analysis

• Auteur / Autrice : Adama Kpatagnon Creppy
• Direction : Franck Plouraboué, Olivier Praud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique des fluides
• Date : Soutenance le 21/09/2015
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique des fluides de Toulouse (1930-....)
• Jury : Président / Présidente : Anke Lindner
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Praud, Xavier Druart, Pierre Degond, Hermes Gadelha
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Peyla

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fécondité

Rhéologie

Spermatozoïdes

Mécanique des fluides

Mots clés libres

Nageurs flagelés

Fluides actifs

Turbulence

Rhéologie

Fertilité

Rhéotaxie

Flagellated swimmers

Active fluids

Turbulence

Rheology

Fertility

Rheotaxis

Résumé

Les microorganismes présentent des comportements collectifs qui émergent des interactions qui se produisent à l’échelle individuelle. Dans le cas des suspensions concentrées (fraction volumique > 50%) les effets stériques deviennent dominants. C’est le cas du sperme de bélier sur lequel cette étude a principalement porté. Nous avons étudié certains aspects hydrodynamiques liés à la rhéologie du sperme et à la rhéotaxie. Nous montrons un comportement rhéo-fluidifiant en loi de puissance du liquide séminal reproductible d’un in- dividu à l’autre. Nous avons aussi mis en évidence qu’un contrôle chimique peut fortement affecter le comportement rhéotactique des spermatozoı̈des chez l’ovin et chez l’homme. Nous avons par ailleurs étudié la dynamique collective de la semence confinée dans des chambres d’épaisseur contrôlée en apportant des éclaircissements sur l’origine et la caractérisation du comportement turbulent observé. Nos résultats montrent que certaines caractéristiques de la turbulence bidimensionnelle se manifestent (loi de puissance du spectre d’énergie des vitesses, loi de séparation des traceurs passifs) que nous interprétons comme résultant d’une stratification laminée de l’écoulement par les interactions stériques à forte concentration. Enfin, nous avons développé et breveté un système micro-fluidique dans lequel une mise en rotation spontanée de la semence apparaı̂t. Nous avons analysé ce phénomène et l’avons relié à une transition de phase d’orientation cohérente avec une modélisation de type Self-Organized-Hydrodynamics. De plus nos résultats montrent une bonne corrélation entre la vitesse de rotation et la note de mobilité massale, donnant des perspectives d’applications pour la prédiction de la fertilité à ce dispositif.

Microorganisms exhibit collective behaviors that emerge from interactions occurring at the individual scale. In the case of high concentrated suspensions (volume fraction > 50%) steric effects become dominant. This is the case of ram semen on which this study focused. We first studied some hydrodynamic aspects related to the semen rheology and rheotaxis. We show a reproducible seminal plasma power law shear-thinning behavior from one subject to another. We have also highlighted that a chemical control can strongly affect the rheotactic behavior of sperms in the ovine and humans. We also studied the collective dynamics of the semen in chambers of control depth by providing clarification on the origin and characterization of the observed turbulent behavior. Our results show that some characteristics of two-dimensional turbulence occur (power law of the velocity energy spectrum, the pair-particles separation law ) that we interpret as the result of a stratification laminated flow induced by steric interactions at high concentration. Finally, we have developed and patented a micro-fluidic system in which a spontaneous spin-up appears. We analyzed this phenomenon and we connect it to a coherent orientation phase transition with a Self-Organized-Hydrodynamics modeling. In addition, our results show a good correlation between the speed and scoring of mass mobility, giving opportunities for application of the prediction of fertility for this device.