Cette thèse est consacrée à la fabrication et à l’étude d’une nouvelle classe de matériaux à gradient d’indice acoustique (GRIN) pour la manipulation des ondes acoustiques ultrasonores dans l’eau. Comme en optique, les « GRIN acoustiques » sont des matériaux non homogènes, dans lesquels l'indice de réfraction acoustique n =C_(L,eau/air)/C_(L,matériau) varie en fonction de la position à l'intérieur du matériau. Ici, C_(L,eau/air) and 〖 C〗_(L,matériau) sont respectivement les vitesses des ondes acoustiques dans un milieu de référence (l’eau pour l'acoustique sous-marine dont il est question ici) et dans le matériau. Nous décrivons ici la fabrication de matériaux GRIN ultra-minces (c’est-à-dire sub-longueur d’onde) que nous désignons de fait sous le terme de métasurfaces acoustiques « molles » à gradient d’indice, conçues à partir de silicone poreux à indice acoustique élevé. Nous montrons que ces matériaux permettent a priori la génération de tous types de fronts d’onde en milieu sous-marin, et ce sur une très large bande de fréquence des ondes ultrasonores. / This thesis is devoted to the fabrication and the study of a novel class of acoustic gradient index (GRIN) materials for the manipulation of waterborne acoustic waves. As in optics, acoustic GRIN are inhomogeneous materials, in which the acoustic refractive index n =C_(L,water/air)/C_(L,material) varies as a function of the position inside the material. Here, C_(L,water/air) and 〖 C〗_(L,material) are the acoustic wave speeds in a reference medium (water for underwater acoustics) and in the material respectively. We here describe the fabrication of ultrathin (i.e. sub-wavelength) GRIN materials named “Soft acoustic gradient index metasurfaces” engineered from soft graded-porous silicone rubbers with a high acoustic index for broadband ultrasonic three-dimensional wave-front shaping in water.

Introduction : Le TNF-a, impliqué dans l’inflammation et la défense de l’hôte, aaussi des propriétés anti-tumorales et est utilisé dans le traitement local des sarcomesdes membres. P53 est un anti-oncogène dont la mutation est associée audéveloppement de tumeurs. Des données expérimentales ont démontré une relationentre activité anti-tumorale de TNF-a et le statut de p53. Matériel et méthodes : Notre objectif a été d’étudier en immunohistochimie lestatut de p53 chez 110 patients atteints de sarcomes et traités par TNF-a. Ensuite,dans 8 sarcomes cultivés ex-vivo, nous avons étudié la localisation de l’apoptoseinduite par le TNF-a par microscopie confocale. Puis, dans 9 lignées de sarcomeshumains, nous avons testé la relation p53/TNF-a en abrogeant p53 grâce à un sh-RNA, ou en utilisant des petites molécules telles que CP-31398 ou Nutlin-3a aptes àrestaurer p53. Enfin, pour mieux comprendre les mécanismes de résistance au TNF-a,nous avons mesuré par méthode EMSA la liaison de NF-kB à l’ADN et recherché parRT-PCR quels gènes de l’apoptose étaient différentiellement régulés.Résultats : Le statut muté de p53 corrèle avec la réponse histologique autraitement par TNF-a chez l’homme. L’apoptose induite par le TNF-a est trouvée aussibien au niveau de la cellule endothéliale que de la cellule tumorale. De plus, laréponse au TNF-a est modulée par le statut de p53 puisque dans les lignées étudiées,l’abrogation de p53 supprime celle-ci alors que la réparation d’une activité p53 permetde l’augmenter. Enfin, une potentialisation de l’apoptose induite par TNF-a estobservée lorsqu’il est associé avec CP-31398 ou Nutlin-3a et elle corrèle avec ladiminution de la liaison du NF-kB à l’ADN. Une augmentation de l’expression desgènes RIPK2, TP53BP2 et GADD45 et une diminution de l’expression de TGF-b1 etFAIM est observée lorsque l’association de Nutlin-3a et TNF-a est synergique sur lamort cellulaire.Conclusions : Ces résultats suggèrent que l’utilisation de molécules capablesde restaurer l’activité de p53 peut inverser la résistance des sarcomes des tissusmous au traitement par TNF-a. Dans ce contexte, des études cliniques pourraientexploiter cette approche pour l’utiliser dans le cadre des sarcomes particulièrementrésistants aux traitements conventionnels ainsi que dans d’autres tumeurs. / Introduction: Although named for its antitumor properties, TNF-a is implicatedin a wide spectrum of diseases including chronic inflammation, autoimmunity andcancer. It is used for the loco regional treatment of limb’s sarcoma. P53 is an antioncogenewhose mutation is associated with tumour development. Experimental datademonstrated that TNF-a cytotoxic activity and p53 status are related.Material and methods: Our objective was to study by immunohistochemistrythe p53 status in 110 sarcoma patients treated by isolated limb perfusion with TNF-a. Then, we studied by confocal microscopy in 8 freshly obtained sarcoma tumours,the localization of apoptosis. Finally, in 9 sarcoma cell lines with different p53 status,we tested the p53/TNF-a relationship by abrogating p53 with a sh-RNA and by usingsmall molecules known to restore p53 functions. To better understand the mechanismsof resistance to TNF-a, we measured by EMSA the NF-kB-binding to DNA and withRT-PCR, we explored the regulation of some apoptosis related genes.Results: We demonstrated a relationship between p53 status and thehistological response to TNF-a use in humans. TNF-a induced apoptosis was presentin endothelial cells as well as in the tumour cells. TNF-a cytotoxicity was dependent onthe p53 status since in the cell lines studied, p53 abrogation reduced it and p53restoration allowed it to increase. Moreover, a potentiation of TNF-a cytotoxic effectwas observed when it was combined to CP-31398 or Nutlin-3a. The killing magnitudewas therefore related to the decrease in the NF-kB-binding to DNA when Nutlin-3awas added. A gene expression increase for RIPK2, TP53BP2 and GADD45 and adecrease for TGF-b1 and FAIM was observed if the combined treatment wassynergistic on tumour death cells.Conclusions: These results suggest that the use of compounds able to restorep53 activity could reverse the soft tissue sarcoma’s resistance to TNF-a treatment.Clinical studies should be performed in order to utilize this approach and to use it inthe context of sarcomas that are particularly resistant to conventional treatments.

L’adhésion et les propriétés mécaniques des cellules jouent un rôle crucial dans le fonctionnementcellulaire ainsi que dans l’apparition de maladies dégénératives. Pour mesurer ces quantités, nousavons développé dans ce travail un microscope opto-acoustique pour l’imagerie non-invasive de lamécanique de cellules individuelles avec une résolution sub-cellulaire. Ce microscope utilise latechnique d’acoustique picoseconde qui permet de générer et détecter optiquement des ondesacoustiques avec une large bande s’étendant jusqu’à 1 THz. Dans le but de reproduire lecomportement mécanique des cellules à des fréquences acoustiques supérieures à 10 GHz, uneétude sur des objets mous biomimétiques est menée dans une première partie. Les rigidité, viscositéet épaisseur de ces systèmes multicouches micrométriques sont caractérisées. Dans la deuxièmepartie de ce manuscrit, la technique d’acoustique picoseconde est employée pour imager le contactentre une cellule animale modèle et un biomatériau, ainsi que l’impédance acoustique de cette cellule.Un outil d’analyse nécessaire pour le traitement du signal acoustique est mis en place. Enfin, unmicroscope opto-acoustique opérationnel entre 10 et 100 GHz est présenté dans la dernière partie. Ilest basé sur un dispositif pompe-sonde asynchrone qui permet de produire des images acoustiquesen un temps court (4 pixels/min) avec une résolution axiale de l’ordre d’une dizaine de nm. Cetteapproche est comparable à une échographie mais à l’échelle cellulaire. L’étude de l’adhésion et despropriétés mécaniques de plusieurs types de cellules à différents stades de maturation est abordée.Des images topographiques des zones fines (< 50 nm) d’une cellule sont également analysées. Lemicroscope développé durant cette thèse offrira la possibilité d’explorer de nouvelles pistes derecherche dans les domaines de la biologie cellulaire et des biotechnologies. / Adhesion and mechanical properties of cells are key players in several cellular functions and areinvolved in the development of degenerative diseases. To characterize these quantities, we developedin this work an opto-acoustic microscope for the non-invasive imaging of the mechanics of individualcells with a sub-cell resolution. This microscope uses the Picosecond Ultrasonics (PU) technique thatallows optical generation and detection of acoustic waves with a large bandwidth up to 1 THz. In orderto reproduce the mechanical behaviour of cells at acoustic frequencies greater than 10 GHz, a studyof cell-mimicking micro-objects is first considered. The rigidity, viscosity and thickness of these microlayeredstructures are characterized. In the second part of this manuscript, the PU technique isapplied for imaging the contact between a simple animal cell and a biomaterial, as well as the acousticimpedance of this cell. An essential tool for analysing the acoustic signal is developed. In the thirdpart, the opto-acoustic microscope operating between 10 and 100 GHz is finally presented. It is basedon an asynchronous pump-probe setup that allows producing acoustic images within a short time (4pixels/min) and offering an axial resolution of about 10 nm. This is similar to cell ultrasonography. Thestudy of the adhesion and of the mechanical properties of different cell types at different stages of cellmaturation is then tackled. The topographic images of thin cell regions (< 50 nm) are also analysed.The microscope implemented during this thesis should offer the possibility of exploring new avenuesin the field of cellular biology.

Le but de ce travail expérimental est de caractériser l'écoulement d'émulsions dans différentes géométries. Grâce à deux dispositifs expérimentaux (une cellule de Couette d'entrefer de 1,8 cm et des canaux microfluidiques dont la dimension caractéristique varie de 250 à 56 Μm) associés à deux techniques de vélocimétrie résolues spatialement (l'imagerie par résonance magnétique et la vélocimétrie par suivi de particules), nous avons mis en évidence des phénomènes non locaux dans l'écoulement d'émulsions concentrées en milieu confiné. Nous avons étudié l'influence la rugosité des surfaces confinant l'écoulement et la largeur des canaux microfluidiques dans lequel s'écoule l'émulsion. Nous avons, au cours de ce travail, développé un modèle microscopique scalaire qui rend compte des phénomènes expérimentaux obtenus. La non localité est quantifiée par une longueur 6, caractéristique de la coopérativité de l'écoulement. Cette longueur est typiquement de quelles tailles de gouttes. Elle est nulle pour une émulsion diluée et augmente avec la fraction volumique en huile pour les émulsions concentrées. Nous avons étudié trois émulsions afin de mettre en évidence l'influence de la taille des gouttelettes et de leur polydispersité sur la longueur caractéristique de la coopérativité de l'écoulement.

La contention, c'est-a-dire une action mécanique appliquée sur un membre humain dans le but d'aider le sang à refluer vers le coeur, est de plus en plus répandue et pénètre le marché du grand public. Notamment, la contention progressive telle que proposée par BVSport® pour les membres inférieurs est actuellement utilisée lors d'efforts musculaires prolongés ou lors de la récupération musculaire après l'effort. Des essais cliniques ont aussi montré son efficacité dans le cas d'insuffisances veineuses légères à modérées. Les développements récents vont maintenant vers une personnalisation de la prescription et une adaptation de la contention aux différents degrés d'insuffisance veineuse. Cependant, actuellement, aucun moyen de mesure ne permet de déterminer la pression qui est réellement appliquée sur un patient donné par l'article de contention présent, encore moins la pression transmise au système vasculaire profond. L'apport majeur de ce travail réside dans la mise en oeuvre d'une méthodologie qui permet de répondre à ces deux problématiques.Cependant, actuellement, aucun moyen de mesure ne permet de déterminer la pression qui est réellement appliquée sur un patient donné par l'article de contention présent, encore moins la pression transmise au système vasculaire profond. L'apport majeur de ce travail réside dans la mise en oeuvre d'une méthodologie qui permet de répondre à ces deux problématiques. Pour cela, il est d'abord nécessaire d'identifier de manière atraumatique et non-invasive les propriétés mécaniques in vivo des tissus biologiques de la jambe. Les caractérisations in vivo des tissus mous biologiques sont rares dans la littérature (elles concernent principalement la peau), car aucune méthode de mesure atraumatique de la déformation des tissus internes n'a été validée jusqu'à présent. Dans ce travail, la contention progressive est utilisée comme chargement mécanique. Des images IRM de la jambe sont prises sous différents niveaux de contention et un modèle EF 2D du mollet sous contention a été développé en déformations planes. Le modèle est soumis a une pression qui tient compte du rayon de courbure de la jambe (lot de Laplace) et cette pression est déduite de la réponse du tricot aux essais de traction spécifiques mis en place. L'identification des paramètres mécaniques du modèle est réalisée en optimisant la mesure de similarité entre les images de la jambe comprimée et les images déformées par le modèle. Finalement, une fois l'identification réalisée, le modèle numérique 2D permet alors un calcul biofidèle et personnalisé des pressions internes au mollet engendrées par le port d'un tricot de contention donné. Cela permet d'une part de déterminer la répartition spatiale des pressions à l'intérieur du mollet et d'autre part de comparer les pressions appliquées sur le mollet à celles prescrites. On montre ainsi que l'effet de la contention progressive dépend de manière non négligeable de la morphologie des tissus sous-jacents (muscles et graisse sous-cutanée). La méthodologie développée dans ce travail doit maintenant être appliquée sur un nombre de patients significatif pour pouvoir dégager les principales tendances de distributions des pressions internes en fonction des différents morphotypes.

Ce travail propose une étude expérimentale visant à caractériser les processus dynamiques se produisant au sein de matériaux vitreux mous. La première partie présente des mesures de diffusion de traceurs nanométriques dans la Laponite (une suspension colloïdale) obtenues par une méthode de recouvrement de fluorescence (FRAP). Cette étude montre que la diffusion varie avec la concentration de Laponite et la taille du traceur. Un modèle hydrodynamique de diffusion confinée permet de décrire quantitativement les données expérimentales. Une deuxième partie concerne l'étude expérimentale du vieillissement de matériaux vitreux. Nous testons en pratique le concept théorique de température effective. Celle-ci est obtenue grâce à la technique de FRAP par la mesure simultanée de la diffusion et la convection de sondes fluorescentes dans la Laponite en cours de prise. Contrairement à certaines mesures de la littérature, le système est bien gouverné par la température ambiante. Nous présentons ensuite une étude visant à caractériser le comportement de la Laponite cisaillée. Nous avons pour cela mis au point un dispositif permettant d'appliquer un champ électrique au système, et ainsi créer des déformations locales. L'effet obtenu s'est révélé trop faible, avec d'assez grandes incertitudes (probablement liées à la complexité du système), pour être considéré comme significatif. Enfin, nous avons étudié les propriétés du Carbopol, un fluide à seuil, en mesurant sa dynamique d'ascension par capillarité. La rugosité de surface des capillaires influe énormément sur la montée du fluide. Nous montrons aussi que l'ascension est pilotée par la rhéologie du système, notamment par le seuil d'écoulement.

Modéliser la déformation de structures anatomiques en temps réel est un problème crucial en simulation médicale. En raison des grandes différences existantes dans leur forme et leur constitution, un modèle unique est insuffisant face à la variété des comportements mécaniques. Par conséquent, nous avons identifié deux principaux types de structures: les organes pleins (cerveau, foie, prostate etc.) et les organes creux (colon, vaisseaux sanguins, estomac etc.). Notre réponse à cette problématique est double. Notre première contribution est une implémentation GPU d'un modèle éléments finis qui est non-linéaire, anisotropique et viscoélastique pour les structures pleines. Notre seconde contribution est un environnement pour modéliser en temps réel les structures fines via un modèle parallèlisable et co-rotationnel utilisant des éléments coques et une approche pour mailler une surface complexe avec des éléments coques courbes. Bien que les deux modèles de tissus soient basés sur la mécanique continue pour une meilleure précision, ils sont tous les deux capables de simuler la déformation d'organes en temps réel. Enfin, leur implémentation dans l'environnement open source SOFA permettra la diffusion de ces deux modèles afin de participer à l'amélioration du réalisme des simulateurs médicaux.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Génie civil : Lille 1 : 2006. / N° d'ordre (Lille 1) : 3951. Résumé. Titre provenant de la page de titre du document numérisé. Bibliogr. p. 125-127. Liste des publications.

Dans le cadre des simulations pour l'entrainement, le planning, ou l'aide per-opératoire aux gestes médicaux-chirurgicaux, de nombreux modèles ont été développés pour décrire le comportement mécanique des tissus mous. La vérification, la validation et l'évaluation sont des étapes cruciales en vue de l'acceptation clinique des résultats de simulation. Ces tâches, souvent basées sur des comparaisons avec des données expérimentales ou d'autres simulations, sont rendues difficiles par le nombre de techniques de modélisation existantes, le nombre d'hypothèses à considérer et la difficulté de réaliser des expériences réelles utilisables. Nous proposons un environnement de comparaison basé sur une analyse du processus de modélisation et une description générique des éléments constitutifs d'une simulation (e.g. géométrie, chargements, critère de stabilité) ainsi que des résultats (expérimentaux ou provenant d'une simulation). La description générique des simulations permet d'effectuer des comparaisons avec diverses techniques de modélisation (e.g. masse-ressorts, éléments finis) implémentées sur diverses plateformes de simulation. Les comparaisons peuvent être faites avec des expériences réelles, d'autres résultats de simulation ou d'anciennes versions du modèle grâce à la description commune des résultats, et s'appuient sur un ensemble de métriques pour quantifier la précision et la vitesse de calcul. La description des résultats permet également de faciliter l'échange d'expériences de validation. La pertinence de la méthode est montrée sur différentes expériences de validation et de comparaison de modèles. L'environnement et ensuite utilisé pour étudier l'influence des hypothèses de modélisations et des paramètres d'un modèle d'aspiration de tissu utilisé par un dispositif de caractérisation des lois de comportement. Cette étude permet de donner des pistes pour l'amélioration des prédictions du dispositif.

Dans le cadre de procédures médicales ou chirurgicales minimalement invasives, l'assistance aux cliniciens pour la planification et la réalisation de leurs gestes joue un rôle important dans la réussite des interventions. Cette thèse s'inscrit dans ce contexte des gestes médico-chirurgicaux assistés par ordinateur et s'intéresse plus particulièrement à la modélisation et à la simulation de structures anatomiques de manière précise et réaliste. Une méthode de modélisation est proposée afin d'obtenir des simulations qui prennent en compte à la fois l'environnement naturel d'un organe donné et l'influence des instruments chirugicaux. Le travail de modélisation est appliqué à la simulation de procédures médicales pour le diagnostic et le traitement du cancer de la prostate (biopsies et curiethérapies).<br /><br />Le modèle développé est un modèle physique discret qui permet notamment de simuler le comportement de tissus mous en interaction avec d'autres structures anatomiques. Une formulation basée sur un principe de mémoire de forme locale est proposée et permet de modéliser l'élasticité d'un matériau grâce à une mesure géométrique de la déformation locale.<br />Une modélisation de l'insertion d'aiguilles dans des tissus mous complète le modèle de l'environnement anatomique.<br /><br />Afin de valider le comportement de la méthode de modélisation développée, une démarche expérimentale est proposée pour comparer les simulations obtenues avec d'une part différentes méthodes de modélisation des tissus mous telles que la méthode des éléments finis ou la méthode des masses-ressorts et d'autre part des données réelles provenant de fantômes et d'images médicales. La méthode a ensuite été appliquée à la simulation des deux procédures médicales étudiées afin de modéliser dynamiquement le comportement de la prostate dans son environnement anatomique et médical.