Caractérisation, modélisation et amélioration du procédé de microencapsulation par centrifugation

Characterisation, Modelling and Improvement of the Centrifugal Microencapsulation Process

• Auteur / Autrice : Matei Badalan
• Direction : Guillaume Balarac
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides, énergétique, procédés
• Date : Soutenance le 29/03/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Laurent Davoust
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Annie Colin, Christophe Corre
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Denis Poncelet, Rudy Valette

Mots clés

Mots clés contrôlés

Centrifugation

Microencapsulation

Alginates

Mots clés libres

Alginate

Microencapsulation

Microfluidique

Modélisation physique

Centrifugation

Simulation numérique des écoulements

Alginate

Microencapsulation

Microfluidics

Physical modelling

Centrifugation

Cfd

Résumé

L’encapsulation de cellules dans des microbilles d’hydrogels est un domaine en pleine expansion qui a plusieurs champs d’applications tels que la thérapie cellulaire ou la culture tridimensionnelle in vitro de mini organes (organoïdes) pour la médecine personnalisée ou le criblage de médicaments. Bien que plusieurs techniques d’encapsulation soient proposées, plusieurs challenges demeurent pour répondre pleinement aux contraintes inhérentes aux applications décrites. Dans cette thèse nous nous focalisons sur une technique basée sur la force centrifuge qui offre de multiples avantages.La microencapsulation par centrifugation (CME) est une technique pour incorporer des particules microscopiques dans une matrice de polymère par centrifugation. Elle est basée sur l’extrusion dans l’air, accélérée par la force centrifuge, du polymère contenant les inclusions, suivie par la gélification de ce polymère par sédimentation dans une solution de Calcium. En satisfaisant tous les critères stricts imposés par les applications biomédicales, la CME est une technique prometteuse pour l’implant de cellules. Les objectives de ce travail sont (i) de proposer une standardisation du design et de l’opération de la CME ; (ii) de proposer une modélisation détaillée du procédé CME et d’appliquer cette modélisation pour l’optimisation de la conception et de l’opération du dispositif.En partant d’un dispositif proposé précédemment qui utilise des composants commerciaux standard, afin d’atteindre l’objectif (i), une procédure expérimentale standardisée est proposée pour la production des capsules et leur caractérisation. Cette caractérisation est réalisée par imagerie microscopique et analyse automatique des images, couplée avec un algorithme de classification automatique des formes des capsules. Ensuite, une ample étude expérimentale est réalisée sur les quatre paramètres principaux du procédé (vitesse de rotation, diamètre du capillaire d’éjection, viscosité du biopolymère d’encapsulation et distance entre la buse d’extrusion et le bain gélifiant). Une analyse statistique des données expérimentales est utilisée pour construire un modèle adimensionnel global du procédé, qui permet la prédiction des capsules produites (taille, intégrité mécanique, forme) à partir des paramètres d’entrée.Par rapport à l’objectif (ii), le procédé CME est décomposé d’abord en cinq étapes. Une modélisation initiale de la physique de chaque étape est effectuée, en utilisant des modèles analytiques et des corrélations expérimentales, qui s’appuient sur des nombres sans dimension représentatifs. Les modèles montrent un bon accord avec les résultats expérimentaux et fournissent des explications sur l’origine des différentes formes et caractéristiques des capsules. Un modèle séquentiel du procédé, résultant du couplage successif des modèles individuels des étapes, est proposé.Afin d’obtenir une description plus fine de l’étape-clé du procédé, qui est l’extrusion des gouttes, nous effectuons des simulations numériques en utilisant le solveur volumes-finis libre Gerris. La simulation est validée par comparaison avec les résultats expérimentaux et permet de valider les hypothèses faites dans la modélisation analytique précédente, ainsi que d’avoir une compréhension plus fine sur la formation de capsules et d’autres produits, comme les fibres et les gouttes satellites.Enfin, sur la base des modélisations réalisées, plusieurs améliorations techniques majeures du dispositif sont proposées, testées et validées expérimentalement sur des prototypes. Ces modifications optimisent des différentes étapes du procédé et permettent d’élargir considérablement les plages d’opération du dispositif et la fréquence de production, proposant pour la première fois une méthode de production fiable avec des biopolymères très visqueux et une méthode de tri des capsules par leur taille.

Cell encapsulation in hydrogel microspheres is a fast growing field, with multiple areas of application such as cell therapy or the 3D in-vitro culture of mini-organs (oraganoids) for personalised medicine or drug screening. Although several encapsulation techniques have been proposed, challenges still exist in order to fully respond to the inherent constraints of the aforementioned applications. In this thesis we focus on one microencapsulation technique based on the centrifugal force, which presents multiple advantages.Centrifugal microencapsulation (CME) is a technique for embedding microscale enclosures in a polymer matrix through centrifugation. It is based on the extrusion in air, accelerated by centrifugal force, of the polymer containing the inclusions, and its subsequent gelation through sedimentation in a Calcium solution. By satisfying all the strict requirements imposed by biomedical applications, such as sterile processing, controlled capsule properties and high throughput, it is a promising technique for cell implant. The objectives of this work are (i) to propose a standardisation of the CME device design and operation; (ii) to propose a detailed modelling of the CME process and to apply it to the optimisation of the design and operation of the device.Based on a previously proposed device using common commercially available components, in order to achieve objective (i), a standardised workflow is proposed for capsule production and characterisation by microscope imaging and automated image analysis, coupled with an algorithm of automated classification of capsule shapes. An extensive experimental parametric study is performed over the four main parameters of the process (rotating speed, ejection nozzle diameter, viscosity of the encapsulation biopolymer and height of the extrusion nozzle over the gelation solution). A statistic analysis of the experimental data is used to construct a nondimensional global model of the process, allowing the prediction of the produced capsules (size, integrity and shape) based on the input parameters. For the objective (ii), the CME process is first decomposed in five stages. An initial modelling of the physics in each process stage is performed, using analytical tools and experimental correlations based on relevant dimensionless numbers. The models show a good agreement with experimental results and provide explanations for the origin of different capsule shapes and characteristics. A sequential model of the process, based on the successive coupling of the individual stage models, is proposed and can be used for finding the optimal working parameters as a function of the hydrogels used, which can vary depending on the applications.In order to obtain a finer description of the key stage of droplet extrusion, numerical simulations are performed, using the open-source finite-volume flow solver Gerris. The simulation is validated by comparison with experimental results, allowing to validate the hypotheses made in the analytical modelling and to gain a fine understanding about the formation of capsules and other products, such as fibres or satellite drops.Finally, based on the previous modelling, several major technical improvements of the device are proposed, tested, and validated experimentally on prototype devices. These modifications optimise different stages of the process and allow to significantly extend the operating ranges of the device and the capsule production frequency, proposing for the first time both a viable production method with very viscous biopolymers and a size-sorting variant.