Simulation de l'interaction thermo-acousto-fluidique en puits : application à la stimulation cellulaire

Simulation of thermo-acousto-fluidic interaction in well : cell stimulation application

• Auteur / Autrice : Doll-Spencerh Bidouba-Sanvany
• Direction : Frédéric Sarry, Denis Beyssen, Francis Kosior
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 22/12/2023
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Lamour (Nancy ; Vandoeuvre-lès-Nancy ; Metz)
• Jury : Président / Présidente : Virginie Hoel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Sarry, Denis Beyssen, Marc Duquennoy, Thérèse Leblois
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marc Duquennoy, Thérèse Leblois

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microcanaux

Ondes de cisaillement

Stimulation électrique

Cytologie

Multiphysique

Ondes acoustiques de surface

Mots clés libres

Puits

Simulation multiphysique

Stimulation cellulaire

Onde de surface

Écoulement

Contraintes de cisaillement

Well

Multiphysics simulation

Cell stimulation

Acoustic wave

Streaming

Shear stress

Résumé

Les ondes acoustiques de surface (SAW) sont actuellement utilisées pour étudier leur interaction avec des particules biologiques pour réaliser des études sur la prolifération, la croissance, la mort et la migration des cellules. Il a été démontré que l'effet de la contrainte de cisaillement sur les cellules joue un rôle majeur dans la modification des cellules fournissant plus de détails sur leur fonction et leurs changements potentiels. Stamp et al. présente une approche par ultrasons de la stimulation dynamique et la cicatrisation des tissus pour des cellules ostéoblastiques de type SaOs-2 en utilisant des ondes acoustiques de surface (SAW) sur une puce. Ses études sont réalisées sans effets secondaires indésirables tels que l'augmentation de la température du substrat ou du flux de nutriments associés aux SAW. Ces résultats montrent que la stimulation mécanique et électrique dynamique induite par les ondes de surface favorise directement la croissance cellulaire et donc une régénération rapide des tissus. S. Brugger présente des études sur la cicatrisation et la croissance cellulaire in vitro sous l'influence de la radiofréquence (rf) des stimuli cellulaires. Ces stimuli sont générés soit par des ondes acoustiques de surface piézoactives (SAW), soit par des champs électriques générés par des microélectrodes. Ses résultats montrent que la stimulation vibratoire des cellules basée sur les ondes acoustiques de surface peut être une alternative au traitement par ultrasons conventionnel. Les contraintes de cisaillement agissant sur les cellules sont responsables des différents changements observés après la stimulation par ondes acoustique, cependant du point de vu expérimental il est impossible de déterminer ces contraintes, une approche par simulation est dès lors nécessaire. Cette thèse vise donc à mettre un point une simulation qui permettra dans un premier temps de comprendre le phénomène d'interaction Rayleigh/Liquide en microcanal ou en goutte et dans un second temps de quantifier les contraintes qui s'exercent sur des particules biologiques lors d'une stimulation par onde acoustique de surface, et de réaliser une étude d'optimisation. En considérant une sonde plongée verticalement dans un puits, nous avons traité le cas des cellules sanguines (circulantes) à une fréquence de 20 MHz et des cellules osseuses (adhérentes) à une fréquence de 40 MHz. Enfin nous avons également pris en compte l'échauffement du liquide.

Surface acoustic waves (SAW) are currently being used to study their interaction with biological particles to perform studies of cell proliferation, growth, death and migration. The effect of shear stress on cells has been shown to play an important role in cell modification, providing further details on their function and potential changes. Stamp et al. present an ultrasound approach to dynamic stimulation and tissue healing of SaOs-2 osteoblastic cells using surface acoustic waves (SAW) on a chip. These studies are performed without unwanted side effects such as increased substrate temperature or nutrient flux associated with SAW. These results demonstrate that the dynamic mechanical and electrical stimulation induced by surface acoustic waves directly promotes cell growth and thus rapid tissue regeneration. S. Brugger presents studies on in vitro wound healing and cell growth under the influence of radiofrequency (rf) cell stimuli. These stimuli are generated either by piezoactive surface acoustic waves (SAW) or by electric fields generated by microelectrodes. His results show that vibratory stimulation of cells based on surface acoustic waves can be an alternative to conventional ultrasound treatment. Shear stresses acting on the cells are responsible for the various changes observed after acoustic wave stimulation, but it is impossible to determine these stresses experimentally, so a simulation approach is necessary. The goal of this thesis is to develop a simulation that will allow us to understand the phenomenon of Rayleigh/liquid interaction in a microchannel or droplet and to quantify the stresses exerted on biological particles during surface acoustic wave stimulation, as well as to carry out an optimization study. The study investigated the effects of different frequencies on blood cells (circulating) and bone cells (adherent) using a vertical probe immersed in a well with a frequency of 20 MHz and 40 MHz, respectively. Additionally, the research took into consideration the liquid heating.