Acoustofluidics of nonspherical microbubbles : physics and mechanical interaction with biological cells

Acoustofluidique de microbulles non-sphériques : physique et interaction mécanique avec des cellules biologiques

• Auteur / Autrice : Maxime Fauconnier
• Direction : Jean-Christophe Béra, Claude Inserra
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Acoustique
• Date : Soutenance le 19/11/2021
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Fédératif de Recherche LYON-EST
• Jury : Président / Présidente : Bertrand Dubus
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Christophe Béra, Claude Inserra, Michiel Postema, Hélène Delanoë-Ayari, Valeria Garbin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bertrand Dubus, Michiel Postema

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microbulles

Bulles -- Dynamique

Emploi en thérapeutique

Oscillations

Sonoporation

Mots clés libres

Ultrasons

Non-dégénérescence modale

Microstreaming

Sonoporation

Interaction bulle-cellule

Modes non-sphériques

Micro-bulle

Ultrasound

Modal nondegeneracy

Microstreaming

Sonoporation

Bubble-cell interaction

Nonspherical modes

Microbubble

Résumé

Sources d'effets acoustiques, mécaniques et thermiques importants, les microbulles de gaz sont largement utilisées à des fins industrielles et médicales. Entre autres, l'oscillation acoustique des microbulles permet d'internaliser des produits dans des cellules vivantes, ce qui ouvre la voie à de nombreuses applications thérapeutiques. Les régimes oscillatoires de grande amplitude nécessaires pour qu'il y ait une interaction significative avec les cellules peuvent être synonymes d'apparition d'instabilité de l'interface bulle et de modes dits non-sphériques d'oscillation de bulle, mais aussi d'implosion de bulle et de destruction cellulaire. Il semble donc nécessaire de contrôler leur dynamique afin de minimiser les effets néfastes et de maximiser l'action thérapeutique. Dans l’optique d’étudier l’action de la bulle oscillante à l’échelle cellulaire, ce manuscrit de thèse présente un travail expérimental en trois temps. Premièrement, la dynamique oscillatoire d'une bulle unique accrochée à une paroi est étudiée, notamment au travers des conditions d'apparition de ses modes non-sphériques. Dans un deuxième temps, les écoulements fluides, également appelés microstreaming, induits par une telle bulle non-sphérique sont analysés à partir d'une description quantitative de l'interface de bulle. Enfin, cette connaissance acquise sur une bulle oscillante est transposée à la configuration d'un couple bulle-cellule. Ces effets mécaniques induits s'appliquant sur une cellule à proximité sont analysés à la fois aux échelles de temps acoustique et fluidique.

Sources of significant acoustic, mechanical and thermal effects, gas microbubbles are widely used for industrial and medical purposes. Among others, the acoustic oscillation of microbubbles make it possible to internalize products in living cells, which opens the way to numerous therapeutic applications. Large amplitude oscillatory regimes necessary for there to be a significant interaction with cells can be synonymous with the appearance of instability of the bubble interface and of the so-called nonspherical modes of bubble oscillation, but also to bubble collapse and cell destruction. It seems therefore necessary to control their dynamics in order to minimize the harmful effects and maximize the therapeutic action. With the view to study the action of the oscillating bubble at the cellular level, this thesis manuscript presents an experimental work in three stages. First, the oscillatory dynamics of a single bubble attached to a wall is studied, in particular through the conditions for the appearance of its nonspherical modes. Second, the appearance of fluid flows, also called microstreaming, induced by such a nonspherical bubble is analyzed on the basis of a quantitative description of its interface. Lastly, this knowledge acquired on an oscillating bubble is transposed to the configuration of a bubble-cell pair. The bubble-induced mechanical effects that apply on the cell are assessed at both the acoustic and the fluidic time scales.