Dispersion et temps de transit de globules rouges dans les capillaires et réseaux microcirculatoires

Dispersion and transit times of red blood cells in capillaries and microcirculatory networks

• Auteur / Autrice : Sylvain Losserand
• Direction : Thomas Podgorski, Gwennou Coupier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique pour les sciences du vivant
• Date : Soutenance le 31/01/2020
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interdisciplinaire de Physique - Laboratoire Interdisciplinaire de Physique (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Annie Viallat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Leonetti
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Simon Mendez, Tanguy Le Borgne

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sang -- Viscosité

Microcirculation

Propriétés mécaniques

Érythrocytes

Mots clés libres

Diagnostic

Dispersion de Taylor

Microfluidique

Laboratoire sur puce

Trafic

Diagnostics

Traffic flow

Microfluidics

Lab-On-Chip

Taylor dispersion

Résumé

Le sang est une suspension dense en globules rouges (GR, environ 50% du volume) qui sont des cellules très déformables, leur principal fonction est le transport de l'oxygène des poumons vers les organes. Cet échange gazeux dans les organes fait intervenir un réseau ramifié de capillaires sanguins où de nombreux phénomènes couplés créent un écoulement complexe (organisation des globules rouges dans l'écoulement, rhéologie, séparation de l'écoulement aux intersections). Un paramètre essentiel de la microcirculation est le temps de transit des GRs dans un organe, ce temps de transit est une limitation à la diffusion et à la disponibilité en oxygène et peut conduire à une désaturation non-optimal avant de quitter le réseau microcirculatoire pour rejoindre le système veineux. Suivant les propriétés mécaniques des GRs qui peuvent être modifiés par des pathologies et leur concentration, leur temps de transit peut varier dans de larges proportions, et peut ainsi être très dispersé autour de la valeur moyenne pour le même échantillon : certains GRs sont plus rapides que d'autres. Les mécanismes en jeu font intervenir la rhéologie du sang (la viscosité apparente varie en fonction du confinement des capillaires, de la rigidité des globules rouges) et la migration hydrodynamique des globules rouges due à l'interaction entre les GRs et les parois du vaisseaux. Ce phénomène de dispersion peut être qualitativement relié au phénomène connu de la dispersion de Taylor d'une solution dans un canal et est aussi connu dans le cas des suspensions colloïdales.Des simulations numériques dans l'équipe d'accueil ont montré que la dispersion moyenne de la vitesse de transit des GRs dans un réseau microcirculatoire était très sensible aux propriétés mécaniques des GRs et à leur dispersion transversale dans le réseau. Cette thèse propose ainsi d'explorer plusieurs aspects de la dispersion des globules rouges dans différentes situations modèles. Le premier chapitre sera dédié à l'étude de la migration transversale des globules rouges des parois vers le centre du canal en milieu très dilué, en effet ce phénomène joue un rôle très important dans la mise en place d'une couche de déplétion au niveau des parois. Le second chapitre sera dédié à l'étude de la dynamique de structuration observé dans les écoulements, l'idée est de mesure l'évolution du profil de concentration des globules rouges le long d'un canal rectiligne après une intersection en T. Le dernier chapitre s'intéressera à l'évolution d'un bolus de globules rouges dans un canal pseudo-2D rectiligne, ça dynamique permettre d’observer l'influence des propriétés mécaniques des globules rouges et de la concentration sur la dispersion des temps de transit.

Blood is a dense suspension of red blood cells (RBCs, about 50% in volume) which are highly deformable cells whose function is oxygen transport from lungs to organs. This gas exchange function in organs involves flow in a dense and ramified capillary network where several coupled phenomena lead to a complex traffic flow (organisation of RBCs in flow, rheology, separation at bifurcations). An essential parameter of microcirculation is the transit time of RBCs in an organ, that can be a limitation to diffusion and disponibility of oxygen and lead to non-optimal desaturation before leaving the microvascular network to reach the veinous system. Depending on mechanical properties of RBCs that can be modified by pathologies, and their en concentration, their transit time can vary in large proportions, and also be quite dispersed around the mean value for the same sample : some RBCs are faster than others. The mechanisms involved are the rheology of blood (the apparent viscosity varies with confinement in capillaries and RBC rigidity), and the hydrodynamic migration dispersion of RBCs due to interactions between cells and with vessel walls. This phenomenon can be qualitatively related to the well known phenomenon of Taylor dispersion of a solute in a channel and is also known for colloidal suspensions.Numerical simulations in the host team have revealed that the dispersion of average transit velocities of RBCs in a microcirculatory network was very sensitive to the mechanical properties of cells, as well as their transverse spatial dispersion in the network. This thesis proposes to explore several aspects of RBC dispersion in different model situations. The first chapter will be dedicated to the study of the transverse migration of RBCs from the walls towards the center of the canal in a very diluted medium, in fact this phenomenon plays a very important role in the establishment of a depletion layer at the walls. The second chapter will be dedicated to the study of structuration dynamics observed in flows, the idea is to measure the evolution of the concentration profile of RBCs along a rectilinear canal after a T intersection. chapter will focus on the evolution of a bolus of RBCs in a rectilinear pseudo-2D channel, it dynamic to observe the influence of the mechanical properties of red blood cells and concentration on the dispersion of transit time.