Une nouvelle plateforme expérimentale pour étudier et imager la croissance de biofilms bactériens sous écoulement dans les milieux poreux

A novel experimental platform for monitoring and imaging bacterial biofilm growth in porous media flows

• Auteur / Autrice : Christos Papadopoulos
• Direction : Yohan Davit, Laurent Malaquin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique des fluides
• Date : Soutenance le 22/06/2023
• 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 : Pascal Swider
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yohan Davit, Laurent Malaquin, Pascal Swider, Renaud Escudié
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fabrice Golfier, Nelly Henry

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation numérique directe

Biofilms

Mots clés libres

Impression 3D

Tomographie à rayons X

Biofilms

Phénomènes de transport

Milieux poreux

Nanoparticules d'or

3D-printing

X-ray tomography

Biofilms

Transport phenomena

Porous media

Gold nanoparticles

Résumé

Les biofilms sont des communautés microbiennes complexes qui se développent souvent sur des surfaces solides dans une matrice polymère auto-sécrétée. Les mécanismes contrôlant le développement des biofilms dans les milieux poreux 3D sont difficiles à étudier en raison de la complexité structurelle et de l'opacité de ces milieux, mais aussi en raison de la multiplicité des facteurs couplés qui contrôlent le développement des biofilms, tels que la disponibilité des nutriments et de l'oxygène, le débit, les communications et les contraintes de cisaillement. Une technologie de micro-bioréacteur pour la croissance de biofilms dans des substrats poreux avec des architectures 3D contrôlées et des pores de plusieurs centaines de micromètres a été développée. Elle combine la fabrication additive et la microfluidique, fournissant une plateforme pour étudier la dynamique de croissance des biofilms dans les milieux poreux dans un environnement contrôlé. Le développement du biofilm de P. aeruginosa dans ce système montre que la croissance du biofilm dans les milieux poreux sous écoulement est un processus dynamique, avec des fluctuations temporelles persistantes pour la perte de pression et la consommation d'oxygène. La tomographie à rayons X combinée à des simulations numériques montrent que la distribution spatiale du biofilm dans le milieu poreux est hétérogène et qu'il a tendance à se développer dans les zones à forte contrainte de cisaillement. De plus, des résultats prometteurs ont été obtenus en utilisant des nanoparticules d'or (AuNPs) comme agent de contraste pour la visualisation du biofilm par CT. La forte atténuation des rayons X des AuNPs et leur polyvalence dans la fonctionnalisation de surface offrent des possibilités de coloration ciblée des systèmes biologiques, débloquant potentiellement de nouvelles applications biotechnologiques dans l'imagerie des biofilms en 3D.

Biofilms are complex microbial communities that grow on solid surfaces in a self-secreted polymer matrix. The mechanisms controlling biofilm development in 3D porous media are difficult to study due to the structural complexity and the opacity of these media but also due to the multiplicity of coupled factors that control biofilm, such as nutrient/oxygen availability, flow rate, communications and shear stress. A micro-bioreactor technology for growing biofilms in porous substrates with controlled 3D architectures and pores of several hundreds of micrometers has been developed. It combines additive manufacturing with microfluidics, providing a platform to study biofilm growth dynamics in porous media under a control environment. Development of P. aeruginosa biofilm in this system shows that biofilm growth in porous media under flow is a dynamic process, with persistent temporal fluctuations in pressure drop and oxygen consumption. X-ray tomography scans combined with CFD simulations show that the spatial distribution of biofilm within the porous medium is heterogeneous and tends to grow in high shear stress areas. In addition, promising results have been obtained in using gold nanoparticles (AuNPs) as a contrast agent for biofilm visualization with CT. The high X-ray attenuation of AuNPs and their versatility in surface functionalization offer opportunities for targeted staining of biological systems, potentially unlocking new biotechnological applications in 3D biofilm imaging.