Loi de comportement mécanique des muscles squelettiques artificiels

Microstructure-based mechanical constitutive model of engineered skeletal muscle

• Auteur / Autrice : Antoine Weisrock
• Direction : Pauline Grosbras, Lieven Thorrez
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Bio-mécanique et bio-ingénierie
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2021
• Etablissement(s) : Centrale Lille Institut en cotutelle avec Katholieke Universiteit Leuven
• Ecole(s) doctorale(s) : ENGSYS Sciences de l'ingénierie et des systèmes
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LaMCube - Laboratoire de mécanique multiphysique et multiéchelle

Mots clés

Mots clés libres

Loi de comportement

Muscle artificiel

Microstructure

Microscopie 3D

Constitutive model

Bio artificial muscle

Microstructure

Engineered muscle

3D microscopy

Résumé

Les muscles squelettiques représentent le tissu le plus abondant du corps humain et sont nécessaires à de nombreuses fonctions vitales comme le mouvement ou la régulation thermique. La compréhension de leur physiologie et de leur comportement mécanique est donc un enjeu médical important. En particulier, les modèles mécaniques macroscopiques des muscles squelettiques ont déjà permis des progrès dans diverses applications médicales dont le traitement de pathologies ou l'amélioration des techniques de chirurgie. La plupart des modèles existants sont basés sur une analyse éléments finis (AEF), et intègrent des lois de comportement spécifiques pour décrire le comportement actif et passif des muscles. Ils suivent cependant souvent une approche phénoménologique, et peinent à intégrer des variables biologiques comme le diamètre des fibres musculaires ou leur fraction volumique. Récemment de nouveaux modèles macroscopiques prenant en compte les caractéristiques microstructurelles de section de muscles ont été proposés. Bien qu'ils constituent une avancé majeure, ces modèles présentent deux limitations. D'abord ils nécessitent de conduire une AEF sur une région d'intérêt (RI) en plus de l'AEF macroscopique, ce qui alourdit considérablement les calculs. Ensuite les propriétés de la microstructure sont calculées uniquement à partir d'une RI de taille micrométrique, ce qui impose au modèle de supposer l'homogénéité de ces propriétés. A la place, une nouvelle loi de comportement basée sur l'analyse d'images de microscopie 3D sera proposé dans le cadre de ce doctorat. Les caractéristiques de la microstructure seront déduites des images plutôt que de l'AEF, ce qui permettra de pallier les limitations précédemment évoquées. Cette loi de comportement sera intégrée dans une AEF macroscopique pour validation. Plutôt que d'utiliser des muscles natifs, des muscles artificiels (MAs) seront utilisés pour l'acquisition d'images et la construction du modèle. Ils seront fournis par le Tissue Engineering Lab de la KU Leuven, avec laquelle ce doctorat sera en cotutelle. Les MAs sont particulièrement bien adaptés à cette application car leurs conditions de culture peuvent être facilement ajustées, ce qui fournit différentes caractéristiques de microstructure. Leur complexité est également moindre comparée à celle des muscles natifs, ce qui facilitera l'identification des paramètres d'intérêt. A ce jour il n'existe pas de solution commerciale ni de dispositif sur-mesure pour l'acquisition d'images 3D sur des MAs vivants. Ces images sont néanmoins cruciales afin de construire la loi de comportement. En conséquence, la première partie de ce doctorat sera consacrée à la conception et à la réalisation de chambres pour l'imagerie 3D des MAs. Les techniques d'imagerie visées sont la microscopie à nappe de lumière et la tomographie aux rayons X, disponibles respectivement à la KU Leuven et au LaMCube.

Skeletal muscle is the most abundant tissue in human body and is involved in numerous vital functions such as locomotion or temperature regulation. Understanding its physiology and mechanics is therefore of major medical interest. In particular, macroscopic mechanical models of skeletal muscles have already proven helpful in various medical applications including disease curing and surgical techniques improvement. Most of the existing models are based on finite-element analysis (FEA), with specific constitutive laws describing muscle active and passive behavior. They are however often phenomenologically based, and thus fail to integrate patient-specific biological features like fibers width or fibers volume fraction. Recently, new macroscopic models have been proposed considering the microstructural characteristics of muscle sections. Although they constitute a major step forward, these models exhibit two limitations. First they require to run a computationally-extensive finite element analysis (FEA) on a region of interest (ROI), besides the macroscopic FEA. Second the microstructural properties are only derived from one micrometer-size ROI, thus assuming a homogeneity of these properties. Instead, a novel constitutive mechanical model of skeletal muscle based on 3D microscopy imaging will be proposed within the scope of this PhD project. Microstructural characteristics will be derived from image analysis rather than FEA, thus overcoming the aforementioned limitations. This constitutive model will be integrated in a FEA for validation. Instead of native skeletal muscles, bio-artificial muscles (BAMs) will be used for imaging and for building the model. They will be provided by the Tissue Engineering Lab at the KU Leuven, with which this PhD project is joint. BAMs are particularly well-suited for this application as their culture conditions can be easily tuned, thus providing different microstructure conditions. They also exhibit a limited complexity compared with native muscles, which will ease the parameters identification. To date, no commercial solutions nor in-house devices are available for imaging of living BAMs. These images are though crucial for building the constitutive model. Consequently, the first part of the PhD project will be devoted to designing and manufacturing chambers for 3D imaging of living BAMs. The targeted imaging techniques are light-sheet microscopy and X-ray tomography, available at the KU Leuven and LaMCube respectively.