Simulations numériques du transport et du mélange de mucus bronchique par battement ciliaire métachronal

Numerical simulations of the transport and mixing of bronchial mucus by metachronal cilia waves

• Auteur / Autrice : Sylvain Chateau
• Direction : Julien Favier, Sébastien Poncet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et physique des fluides
• Date : Soutenance le 19/11/2018
• Etablissement(s) : Aix-Marseille en cotutelle avec Université de Sherbrooke (Québec, Canada)
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Sciences pour l'ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Mécanique, Modélisation et Procédés Propres (M2P2) (Marseille, Aix-en-Provence)
• Jury : Président / Présidente : Annie Viallat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Benjamin Mauroy, Stéphane Moreau, Umberto d' Ortona
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Poncet, Franck Nicoud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Théorie du transport

Bronches

Système mucociliaire

Mécanique des fluides

Dynamique des fluides

Simulation par ordinateur

Mots clés libres

Frontières Immergées

Cils

Mucus

Clairance mucociliaire

Ondes métachronales

Ecoulement à faible nombre de Reynolds

Méthode de Boltzmann sur réseau

Lattice Boltzmann method

Immersed Boundary

Cilia

Mucus

Mucociliary clearance

Metachronal waves

Low-Reynolds number flow

Résumé

La clairance mucociliaire est un processus physico-chimique qui sert à transporter et éliminer le mucus bronchique. Pour cela, des milliards d'appendices de taille micrométrique, que l'on nomme cils, recouvrent l'épithélium respiratoire. Ces cils propulsent le mucus en suivant un motif périodique comprenant une phase de poussée où leur pointe peut pénétrer dans le mucus, et une phase de récupération où ils sont totalement immergés dans le fluide périciliaire. Un dysfonctionnement de ce processus peut engendrer de nombreux problèmes de santé. Il a été observé expérimentalement que les cils ne battent pas aléatoirement, mais synchronisent leurs battements avec leurs voisins, formant ainsi des ondes métachronales. Toutefois, les observations in vivo sont extrêmement difficiles à réaliser, et les propriétés de ces ondes restent mal connues. Dans cette thèse, nous utilisons un solveur Lattice Boltzmann - Frontière Immergée afin de reproduire un épithélium bronchique et étudier l'émergence, ainsi que les capacités de transports et de mélanges, de ces ondes

The mucociliary clearance process is a physico-chemical process which aims is to transport and eliminate bronchial mucus. To do so, billions of micro-sized appendages, called cilia, cover the respiratory epithelium. These cilia propel the mucus by performing a periodical pattern composed of a stroke phase where their tips can enter the mucus layer, and a recovery phase where the cilia are completely immersed in the periciliary liquid layer. A failure of this process may induce numerous health problems. It has been experimentally observed that cilia do not beat randomly, but instead adapt their beatings accordingly to their neighbours, forming metachronal waves. However, in vivo observations are extremely difficult to perfom, and the properties of these waves remain poorly understood. In this thesis, we use a Lattice Boltzmann - Immersed Boundary solver to reproduce a bronchial epithelium and study the emergence, as well as the transport and mixing capacities, of these waves