Ecole MECABIO - Lus-la-Croix-Haute - 11 au 16 octobre 2020
Physique des fluides et tissus biologiques : concepts et méthodes pour l'étude de leurs interactions multi-échelles.

Ecole thématique CNRS

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Programme

Emploi du temps à venir 

Cours du lundi matin au vendredi midi. 5 cours de 3-4 h + 5 TP de 3h + 3 conférences invitées pour une ouverture sur la recherche actuelle.

Contenu des cours

Cours 1 : Mécanique cellulaire et migration

La mécanique se révèle jouer un rôle essentiel dans les comportements dynamiques des cellules, que ce soit au niveau des interactions de la cellule avec son environnement, ou des mécanismes d'expression génétique.

Fondements de la mécanique cellulaire, mécanique subcellulaire, migration cellulaire. Techniques de rhéologie locale (AFM, ...) et de mesure des forces associées à la migration (flambage de gel, micro-pilliers, méthode dite de « forces de traction »)

Martial Balland, Claude Verdier, Richard Michel, LIPhy, Grenoble

Travaux pratiques (C. Verdier, R. Michel) : Méthode dite de « forces de traction » permettant d’identifier les contraintes exercées par une cellule migrant sur un substrat par méthode inverse, à partir de mesures de champ de déplacements. Les participants travailleront concrètement sur des images préenregistrées d'expériences réelles de migration cellulaire sur substrat. 

Cours 2 : Suspensions cellulaires sous écoulement

Première partie : dynamique de cellules sous écoulement (globules rouges, globules blancs, objets biomimétiques tels les capsules et vésicules lipidiques) : couplage entre le fluide et la cellule déformable. Techniques de simulations numériques de ces problèmes (méthodes intégrales de frontières, frontières immergées, éléments finis, ...), approches théoriques.

Anne-Virginie Salsac, BMBI, Compiègne

Seconde partie : dynamique collective d'une suspension et écoulement en réseau. Interactions cellules-parois et cellules-cellules. Diffusion induite par le cisaillement. Rhéologie de la suspension confinée. Distribution dans un réseau. Non-linéarités, instabilités et oscillations dans un réseau.

Gwennou Coupier, LIPhy, Grenoble

Travaux pratiques (G. Coupier, T. Podgorski) : étude de l'écoulement du sang dans le réseau capillaire. Expérimentation réelle sur puces microfluidique sous microscope avec du sang humain certifié enseignement. Mesures de champ de vitesse et de concentration. Caractérisation des phénomènes de diffusion. Comparaison avec des modèles d'écoulement. Discussion des limites des modèles continus aux échelles du capillaire, où la taille des cellules est comparable à celle des canaux.

Cours 3 : Fluides biologiques macroscopiques : interactions sang-parois élastiques

Il est aujourd’hui reconnu que forces et contraintes conditionnent le développement des tissus biologiques au même titre que la nutrition ou les conditions environnementales physico-chimiques. Les écoulements, et en particulier le cisaillement qu’ils génèrent à la paroi des cellules, sont devenus des grandeurs d’intérêtpour mieux appréhender le comportement des cellules et tissus sous flux (développement, alignement, mouvement ...)

Première partie : Rhéologie des fluides biologiques (le sang, essentiellement), lien micro-macro, couplage avec les parois élastiques. Dysfonctions associées (anévrisme, athérosclérose, …)

Valérie Deplano, IRPHE, Marseille

Seconde partie : Méthodes de mesures des champs de vitesse (PIV, IRM de flux, échographie Doppler) ; le cas de la PIV, méthode plus générale et plus facile à mettre en œuvre en laboratoire, sera particulièrement détaillé. Cas de la micro-PIV et de la PIV 3D

Yannick Knapp, LaPEC, Avignon

Travaux Pratiques (Valérie Deplano, Yannick Knapp) : réalisation in situ d'une expérience de PIV sur un modèle d’anévrisme, au moyen d’un banc équipé d’une source laser et d’un circuit microhydraulique. A l’aide des images enregistrées sur place, traitement des images et calcul des champs de vitesse dans l'anévrisme.

Cours 4 : Mécanique des tissus biologiques

A l’échelle microscopique, l’intégrité structurelle des tissus mous biologiques repose sur des assemblages de protéines entourant les cellules. Leur comportement mécanique est dominé par des effets entropiques ou énergétiques, ce qui permet de maintenir à l’échelle macroscopique une rhéologie cible et ainsi assurer les fonctions essentielles recherchées (résistance, élasticité, amortissement). L’objectif de ce cours sera de faire le point sur la théorie et les méthodes expérimentales concernant les relations entre structures et fonctions dans les tissus biologiques, avec des exemples dans le domaine cardiovasculaire (artères, valves cardiaques).

Cours: Structure des tissus mous biologiques, principes de micromécanique et de changement d’échelles, mécanique des milieux continus et lois de comportement hyperélastiques (isotropes et anisotropes), mécanismes de croissance et de remodelage des tissus, essais mécaniques multiaxiaux sur tissus biologiques, méthodes optiques de mesure de champ, méthodes d’identification.

Stéphane Avril, Sainbiose, Saint-Etienne

Travaux pratiques (Stéphane Avril) : Réponse mécanique d’une artère soumise à un test de gonflement, résolution d’un problème inverse pour accéder aux paramètres des lois de comportement à partir de champs de déplacements expérimentaux fournis, lien avec la structure du tissu.

Cours 5 : Poro-mécanique des tissus biologiques

Les tissus biologiques sont sensiblement impactés par les stimuli mécaniques qu’ils reçoivent. La compréhension de leur évolution spatio-temporelle trouve une pertinence clinique significative notamment dans les pathologies du vieillissement, les défauts de croissance et l’oncologie. L’approche poromécanique constitue un cadre pertinent pour prendre en compte les couplages multiphysiques et mécano-bio-chimiques à l’échelle du tissu. La mécanique des milieux continus (fluide et solide) associée aux développements mathématiques spécifiques aux milieux poreux permettent de proposer des équations modèles décrivant les couplages multi-échelles des phénomènes de transport, des effets mécaniques et des couplages réactifs.

Cours : Caractérisation de l’architecture des milieux poreux biologiques par l’image, introduction au changement d’échelle en milieux poreux, poromécanique des tissus biologiques appliquée aux pathologies osseuses.

Pauline Assemat et Pascal Swider, IMFT, Toulouse 

Travaux pratiques (Pauline Assemat et Pascal Swider) : Mise en équation d’un système modèle (silicone-tissu axisymétrique, poroélastique), simulation numérique (logiciel Comsol®). Exploitation critique des résultats en regard du cadre théorique. Exploitation de données expérimentales (précédemment obtenues en laboratoire).





 

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