Durant ces dernières années, les émissions de CO2 liées à l’utilisation des voitures ont atteint des niveaux critiques contribuant au réchauffement climatique et causant des problèmes de santé. Afin de réduire ces émissions, l’industrie automobile française a décidé de réduire la masse des véhicules via l’utilisation de matériaux plus légers tels que les matériaux composites. Cependant, les techniques d'assemblage classiquement utilisées ne sont pas compatibles pour assembler ces nouveaux matériaux à la structure du véhicule (acier et aluminium). Le principal objectif de cette étude a donc été la caractérisation et la modélisation de nouvelles techniques d'assemblages multimatériaux permettant une bonne résistance mécanique.Quatre techniques d’assemblages multi-matériaux (métal/composite) ont été étudiées : (i) le collage par goujon, (ii) la soudure laser, (iii) le rivetage auto-perçant et (iv) le collage. Des essais traditionnels de simple recouvrement et de traction transverse ont été utilisés pour caractériser les deux premières techniques. Ensuite, un nouveau test de caractérisation basé sur un dispositif Arcan modifié a été proposé pour analyser le comportement des assemblages rivetés et le collage. Parmi les quatre techniques testées, le collage a été retenu comme la technique la plus adaptée aux exigences de l'industrie. Par conséquent, des essais Arcan ont été réalisés afin de déterminer le comportement quasi-statique des adhésifs de l’étude (Betamate1822 et Sikapower498). Ces essais ont ensuite été utilisés pour proposer et identifier une nouvelle loi de comportement 3D viscoélastique spectrale non-linéaire. La procédure d'identification des paramètres des adhésifs n'est basée que sur trois essais de fluage multiniveaux, permettant un dimensionnement rapide des structures collées. Enfin, la loi de comportement proposée a été validée grâce à la bonne corrélation entre les prédictions numériques et les courbes expérimentales des essais monotones à différents vitesses de sollicitation et des essais de traction incrémentale.La présente étude a été développée dans le cadre d’un projet automobile. Néanmoins, les conclusions et les perspectives de l'étude peuvent être extrapolées à d'autres domaines tout aussi intéressants. / Nowadays, the emissions of CO2 due to the use of automobiles have reached critical levels causing global warming and health problems. In order to reduce these emissions, the French automotive industry has decided to reduce the car weight by means of the use of lighter materials such as composite materials. However, the classical joining techniques are not adapted to assembly these new materials to the structure of the car (aluminum and steel alloys). Therefore, the characterization and modeling of new joining techniques of dissimilar materials is a problem that has been treated in the current study.Four different joining techniques of dissimilar materials (metal/composite) have been studied: (i) stud bonding, (ii) laser welding, (iii) self-pierce riveting and (iv) adhesive bonding systems. Traditional lap-shear and cross-tension tests were used to characterize the first two joining techniques. Then, a new characterization test based on a modified Arcan device has been proposed to analyze the behavior of self-piercing rivet and adhesive bonding systems. Among all the four tested techniques, adhesive joints have been selected as the most adapted technique according to the requirements of the industry. Therefore, modified Arcan tests have been performed in order to determine the behavior of the adhesives of the study (Betamate1822 and Sikapower498). These tests were then used to propose and identify a new 3D non-linear viscoelastic spectral model. The identification procedure of the material parameters is only based on three multilevel creep tests, which permits the rapid dimensioning of adhesively bonded structures. Finally, the proposed behavior law was validated by the good concordance between the numerical predictions and the experimental curves of monotonic tests at different loading rates and increasing cyclic tests.The current study was developed in the framework of an automotive project. Nevertheless, the conclusions and prospects of the study can be extrapolated to other interesting fields.

Cette thèse s’intéresse au développement d’éléments finis solide–coques dédiés à la modélisation de structures multicouches sollicitées en vibrations. En effet, la plupart des modèles multicouches dans la littérature présentent des limitations dans certaines configurations géométriques et matérielles. Face à ce constat et dans un souci de proposer un outil moins coûteux en temps de calcul, nous avons proposé une approche basée sur le concept solide–coques. Il s’agit d’éléments finis tridimensionnels dont le comportement a été amélioré par l’Assumed Strain Method. Dans un premier temps, nous avons formulé le problème de vibrations de structures sandwichs à cœur viscoélastique. La dépendance en fréquence a ainsi été prise en compte en utilisant une loi constitutive complexe. Pour résoudre le problème discrétisé, la Méthode Asymptotique Numérique, couplée à l’homotopie, et utilisant l’approche DIAMANT, a été adoptée pour les excellents résultats qu’elle offre par rapport aux autres méthodes. Des tests ont permis de valider les modèles proposés et de montrer l’avantage par rapport aux éléments ayant la même cinématique. Poursuivant nos travaux, et dans un souci d’augmenter l’amortissement, nous nous sommes orientés vers un contrôle actif des vibrations. Pour ce faire, deux éléments finis piézoélectriques ont été formulés. Il s’agit des éléments SHB8PSE et SHB20E qui sont des extensions des éléments finis SHB8PS et SHB20, respectivement. Le couplage électromécanique a consisté en l’ajout d’un degré de liberté à chacun des nœuds des dits éléments. Quelques exemples en statique et en vibrations menés sur des structures multicouches allant de simples poutres aux structures présentant des non-linéarités géométriques ont permis de valider les éléments solide–coques proposés. Pour finir, une synthèse des acquis des chapitres 2 et 3 a permis de proposer une modélisation de structures multicouches comprenant des couches élastiques, viscoélastiques et piézoélectriques. À l’amortissement passif provenant du pouvoir amortissant des matériaux viscoélastiques, on ajoute un contrôle actif qui découle du courant électrique généré au cours de la déformation des couches piézoélectriques. Ainsi, un filtre a été installé entre les capteurs et actionneurs. Ce filtre permet d’amplifier ou d’atténuer le potentiel électrique généré dans le but de réduire les amplitudes de vibrations. Pour résoudre le problème résultant nous avons étendu le solveur utilisé au chapitre 2. Pour valider les modèles proposés, des tests de contrôle actif–passif ont été menés sur des structures plaques multicouches. Enfin, quelques lois de contrôle découlant de filtres ont permis de montrer comment cette procédure permet de réduire ou même d’éviter l’amplification des vibrations / This thesis deals with the development of solid–shell finite elements for vibration modeling of multilayer structures. Indeed, most of multilayer models in the literature show some limitations in certain geometric and material configurations. Considering these restrictions and in order to develop a more efficient calculation tool, we proposed an approach based on the solid–shell concept. This consists of three-dimensional finite elements enhanced through the Assumed Strain Method. First of all, we have formulated the problem of vibrations of sandwich structures with viscoelastic core. The frequency dependence has been taken into account by using a complex constitutive law. To solve the discretized problem, the Asymptotic Numerical Method, coupled with the homotopy technique and the DIAMANT toolbox approach, was adopted due to the excellent results it provides compared to other methods. Benchmark tests have validated the models and highlighted their advantages over existing elements having the same kinematics. In order to increase damping properties, we directed our attention towards an active vibration control. For this purpose, two piezoelectric finite elements have been developed. These finite elements SHB8PSE and SHB20E are extensions, of the elements SHB8PS and SHB20, respectively. The electromechanical coupling consisted in adding an electrical degree of freedom to each node of these elements. A variety of test problems both in static and vibration analysis conducted on multilayer structures ranging from simple beams to structures involving geometric nonlinearities allowed validating the proposed solid–shell elements. Finally, combining the achievements made in chapters 2 and 3, we proposed a modeling approach for multilayer structures composed of elastic, viscoelastic and piezoelectric layers. Active control is introduced using the piezoelectric properties in order to improve the reduction in vibration amplitudes. Thus, a filter has been mounted between the sensors and actuators. This filter allows amplifying or attenuating the generated electric potential in order to reduce the vibration amplitudes. To solve the resulting problem, we extended the resolution method used in chapter 2. To validate the proposed models, active–passive control tests have been conducted on multilayer plate structures. Finally, some control laws, associated with filters, have shown how this procedure can allow reducing or even avoiding amplification of vibrations

Dans le tractus gastro-intestinal, l'adhésion des bactéries commensales à l’épithélium permet leur maintien, ce qui aide à contrôler l’implantation de germes indésirables par des mécanismes de concurrence (effets nutritionnels, sites spécifiques d'adhésion ...). Bien que le rôle de la couche du mucus (principalement composée de glycoprotéines à haut poids moléculaire, appelées mucines) recouvrant la muqueuse soit connu et décrit depuis de nombreuses années, notamment pour sa fonction de barrière protectrice, l'intérêt pour décrypter les mécanismes précis d’interaction(s) avec le microbiote (bactéries commensales, pathogènes ou probiotiques) n’a que récemment émergé. Dans ce cadre, l'objectif de cette thèse, menée en collaboration entre le Laboratoire d’Ingénierie des Systèmes Biologiques et des Procédés de Toulouse et le Laboratoire d’Analyse et d’Architecture des Systèmes de Toulouse, est de caractériser in vitro le comportement muco-adhésif de Lactococcus lactis, le modèle des bactéries lactiques, en utilisant des approches de quantification multi-échelles (du niveau moléculaire à l’échelle multicellulaire) sur un large panel de souches naturelles et recombinantes. Une attention particulière est accordée au rôle des mucines, en utilisant le modèle PGM (mucine gastrique de porc ou « Pig Gastric Mucin »).La première partie du travail a porté sur la quantification à l'échelle de la cellule unique des interactions entre L. lactis et une surface abiotique (polystyrène) recouverte de PGM, en utilisant la microscopie à force atomique (AFM). La faisabilité de la méthode a tout d'abord été démontrée sur la souche modèle L. lactis ssp. cremoris MG1820. La couche de PGM a été caractérisée en utilisant des méthodes analytiques complémentaires (AFM, XPS - spectroscopie de photoélectrons induits par rayons X, QCM-D - Microbalance à Quartz à mesure de Dissipation...). En parallèle, les bactéries L. lactis ont été immobilisées sur la pointe AFM et utilisées comme « sonde de force », en considérant la souche naturelle IBB477 (L. lactis ssp. cremoris), d’origine laitière et présentant une forte persistance dans le tractus digestif du rat lors d’essais réalisés in vivo (collaboration avec l’Institut de Biochimie et de Biophysique de Varsovie, Pologne). Comparé aux conditions contrôle (i.e., surface de polystyrène sans PGM), les niveaux de force d'adhésion enregistrés entre L. lactis et PGM sont inférieurs, ceci en raison des répulsions électrostatiques, hydrophiles et stériques s’établissant entre la couche de PGM et la paroi cellulaire. La forme des courbes représentant l’évolution de la force au retrait en fonction de la distance est également différente. Une analyse détaillée souligne la contribution, conjointe et différente selon les souches testées, d’événements (i) non adhésifs, (ii) adhésifs non spécifiques (interactions électrostatiques, hydrophobes, de van der Waals) et (iii) adhésifs spécifiques (liaison de type ligand/récepteur). La contribution spécifique a ensuite été explorée plus finement en termes de constantes cinétiques d’association et de dissociation. Nous avons, par ailleurs, poursuivi notre exploitation de la biodiversité naturelle chez les lactocoques en étudiant la souche TIL448 (L. lactis ssp. lactis) d’origine végétale, en collaboration avec l’Institut MICALIS de Jouy-en-Josas. Nous avons ainsi démontré, pour la première fois chez L. lactis, le rôle combiné des protéines à domaine(s) MUB (« Mucus-Binding ») et des pili, à travers l'analyse approfondie des données AFM (force d'adhésion, répartition des événements adhésifs spécifiques/non spécifiques, distances d'interaction...). Le rôle des pili a été confirmé sur des souches recombinantes piliées (L. lactis ssp. lactis IL1403), toujours en partenariat avec l’Institut MICALIS de Jouy-en-Josas. En parallèle, en collaboration avec l’Unité de Glycobiologie Structurale et Fonctionnelle de Villeneuve d'Ascq, nous avons cherché à identifier les O-glycannes de PGM (fractions neutre et acide), impliqués dans le processus d'interaction avec la surface bactérienne. Pour confirmer l’ensemble des résultats obtenus à l'échelle de la cellule unique et en mode statique par AFM (effet anti-adhésif de PGM, comportement muco-adhésif différent selon les souches de L. lactis), la deuxième partie du travail a été consacrée à des expérimentations à l’échelle de l’ensemble de la population bactérienne, en conditions dynamiques (QCM-D, chambre à écoulement cisaillé). Nous avons évalué par QCM-D chez les souches IBB477 et MG1820 les propriétés viscoélastiques des dépôts bactériens, en relation avec le comportement bio-adhésif vis-à-vis de la couche de PGM. Les données obtenues par AFM et chambre à écoulement cisaillé sur ces mêmes souches ont été confrontées pour accéder plus finement au mode d’interaction avec PGM (densité de liaisons sur la surface bactérienne). Enfin, nous avons évalué chez IL1403 l’effet des pili sur la dynamique de détachement et d’orientation sous cisaillement contrôlé.En conclusion, la combinaison des échelles d'observation et d’analyse, aussi bien au niveau de la cellule unique qu’à celui de l’ensemble de la population bactérienne, nous permet désormais de disposer de nouvelles connaissances sur les mécanismes diversifiés d'interaction entre L. lactis et PGM, visant à une meilleure compréhension des fonctionnalités de cette bactérie au niveau du tractus gastro-intestinal / In the gastrointestinal tract, adhesion of commensal bacteria to epithelial cells allows their retention, which helps to control the implementation of unwanted germs through mechanisms of competition (nutritional effects, specific sites of adhesion ...). Indeed, bacterial adhesion to the intestinal epithelium seems to be important for the balance of intestinal microbiota. Although the role of the mucus layer lining the mucosa, which is mainly composed of large glycoproteins termed mucins, is known and described for many years, particularly for its protective barrier function, the interest for unraveling precise mechanisms of interaction with bacteria (commensal, pathogens or probiotics) has just recently emerged. In this framework, the aim of the PhD thesis was to characterize in vitro muco-adhesive behavior of Lactococcus lactis, the model of Lactic Acid Bacteria, using multi-scale approaches (from molecular to multicellular levels) on a large set of natural and recombinant strains. A particular attention was paid to the role of mucins, using the PGM model (Pig Gastric Mucin).The first part of the work was focused on the quantification at nanoscale of interactions between L. lactis and adsorbed PGM, using AFM. The feasibility of the method was first demonstrated on the reference strain MG1820. PGM coating was characterized using a complementary set of analytical methods (AFM, XPS, quartz crystal microbalance with dissipation monitoring…). In parallel, L. lactis cells were immobilized onto the AFM tip and used as a living force probe, considering the natural strain IBB477 (L. lactis subsp. cremoris), isolated from Polish artisanal dairy products and previously shown to display in vivo retention in the rat gut (collaboration with the Institute of Biochemistry and Biophysics of Warsaw, Poland). Compared to control conditions (i.e., no PGM coating), adhesion force levels recorded for PGM were lower, due to the interplay of electrostatic, hydrophilic and steric repulsions. The shape of retraction force-distance curves for L. lactis/PGM interactions was also different. The detailed analysis of curve shape highlighted the contribution of non-adhesive, non-specific (electrostatic, hydrophobic, van der Waals interactions) and specific adhesive events (ligand/receptor bonding), depending on the strain under study. Specific forces were analyzed in terms of dissociation/association kinetic constants.We then explored the natural biodiversity among lactococci by studying the natural strain of L. lactis (subsp. lactis) TIL448 from plant origin, in collaboration with MICALIS (Jouy-en-Josas). We demonstrated, for the first time for L. lactis, the combined role played by “MUB-like” domain-containing protein and pili, through the thorough analysis of AFM data (adhesion force, repartition of specific/non-specific adhesive events and distances of interaction…). The role of pili was also confirmed with recombinant piliated strains (L. lactis subsp. lactis IL1403), in partnership with MICALIS (Jouy-en-Josas). In parallel, in collaboration with the “Unité de Glycobiologie Structurale et Fonctionnelle de Villeneuve d'Ascq”, a first attempt was done to identify the O-glycans of PGM (neutral and acid fractions), involved in interactions with the bacterial surface.To confirm these results achieved at single-cell scale and under static mode by AFM (anti-adhesive of PGM, different muco-adhesive properties among several strains of L. lactis), the second part of the work was devoted to experiments at multicellular scale under dynamic conditions (quartz crystal microbalance with dissipation monitoring – QCM-D, shear stress flow chamber). We evaluated by QCM-D, for MG1820 and IBB477 strains, the viscoelastic properties of the cell layers, in relation with the bio-adhesive behavior towards PGM. The data obtained by AFM and shear stress flow chamber were combined to access more precisely to the interaction mode with PGM (density of bonds over the cell surface). Finally, using the recombinant piliated strain (IL1403), we focused on the effect of pili on detachment and re-orientation dynamics under shear flow

Dopées par un intérêt croissant des industries telles que l’automobile, les technologies demotorisation100% électriques équipent de plus en plus de véhicules à la portée du grand public. Endépit d’une opinion commune favorable sur les faibles émissions sonores des moteurs électriques,la maîtrise des performances vibratoires et acoustiques d’une telle machine reste un challenge trèscoûteux à relever. Associant l’expertise de l’entreprise Vibrate cet du département MécaniqueAppliquée de l’institut Femto-ST, cette thèse CIFRE vise à améliorer les connaissances actuellessur le comportement mécanique de machines électriques. De nouvelles méthodes de modélisationpar éléments finis sont proposées à partir d’approches d’homogénéisation,analyses expérimentales,recalage de modèles et études de variabilité en température et en fréquence,pour permettre uneprédiction plus performante du comportement vibratoire d’un moteur électrique / Boosted by the increasing interest of industries such as automotive,100% electric engine technologies power more and more affordable vehicles for the general public.Inspite of a rather favourable common opinion about the low noisee mitted by electric motors, controlling the vibratory and acoustic performances of such machines remains a very costly challenge to take up. Associating the expertise of the company Vibratec and the institute Femto-ST Applied Mechanics Department, this industry-orientedPh.D.thesisaimsatimprovingthecurrentknowledgeaboutthe mechanicalbehaviour ofelectric machines. New finite-element modelling method sare proposedf rom homogenisation approaches,experimental analyses, model up dating procedures and variability studies in temperature and frequency, in order to predict the behaviour of an electric motor more efficiently

L’ATP est bien connue pour son rôle de transporteur d'énergie à l’intérieur des cellules, mais en dehors de la cellule, elle agit en tant que molécule de signalisation extracellulaire. En se liant aux récepteurs purinergiques, l’ATP extracellulaire amorce la signalisation purinergique afin de réguler certains processus physiologiques et pathophysiologiques. Dans les poumons, l’ATP stimule la sécrétion de surfactant et promeut la clairance mucociliaire. Compte tenu du rôle critique de l’ATP extracellulaire dans les poumons, il est important de comprendre le mécanisme du relargage d’ATP cellulaire — la première étape de la signalisation purinergique. Parce que les forces mécaniques constituent le déclencheur principal du relargage d’ATP, cette thèse a pour but d’investiguer le(s) mécanisme(s) physiologique(s) et les sources cellulaires d’un tel relargage d’ATP mécanosensible. Cet ouvrage est divisé en trois parties : 1) Pour étudier les caractéristiques spatiales et temporelles du relargage d’ATP, j’ai développé une technique d’imagerie hautement sensible basée sur la bioluminescence de la luciférine-luciférase couplée avec un système de lentilles à grand champ de vision (WFOV, wide field of view) optimisant l’apport de lumière. Pour évaluer notre approche d’imagerie, j’ai soumis des cellules A549, dérivées d’un adénocarcinome pulmonaire humain, à un étirement ou un choc hypotonique de 50% pour déclencher un relargage d’ATP. J’ai démontré que notre technique nous permet de quantifier précisément la quantité et le taux (ou l’efflux) d’ATP s’échappant des cellules. Le WFOV constitue un outil essentiel utilisé dans les études décrites dans cette thèse pour déterminer le mécanisme et la source cellulaire du relargage d’ATP dans l’alvéole. 2) Afin d’examiner le mécanisme physiologique du relargage d’ATP induit par l’étirement dans les cellulaires alvéolaires primaires, j’ai déterminé les contributions individuelles des cellules alvéolaires de type 1 (AT1) en comparaison des cellules alvéolaires de type 2 (AT2). Pour ce faire, des cellules AT2 fraîchement isolées de poumons de rats ont été ensemencées sur une chambre flexible en silicone et cultivées jusqu’à sept jours, ce qui permettait aux cellules AT2 de se transdifférencier progressivement en cellules semblables aux cellules AT1. Le ratio des cellules alvéolaires (AT2:AT1), étant de 4:1 au jour 3, est devenu 1:4 au jour 7. La quantité d'ATP libérée diminuait avec le nombre décroissant de cellules AT2, les impliquant en tant que principale source pour le relargage d’ATP en réponse à un étirement. Alors que les modulateurs pharmacologiques des canaux d’ATP, carbenoxolone et probénécide, ne diminuaient pas la quantité d’ATP libérée, le BAPTA, un chélateur de calcium intracellulaire ([Ca2+]i), l’a significativement réduite. De même, ces trois modulateurs exercent des effets similaires sur les réponses calciques intracellulaires mesurées par le Fura-2, suggérant une connexion entre le relargage d’ATP et les niveaux de [Ca2+]i. 3) Pour explorer le rôle qu’ont les propriétés viscoélastiques de la membrane dans le relargage d’ATP mécanosensible, j’ai démontré qu’une déformation de 30% induisait un relargage d’ATP transitoire qui était accompagné d’une absorption d’iodure de propidium (PI, propidium iodide) chez des cellules AT2. Ceci est cohérent avec une rupture membranaire transitoire induite par une déformation, assez large pour le passage d’ATP et de PI. L’efflux d’ATP augmente aussi selon le taux de déformation, et la durée de déformation prolonge la demi-vie du relargage d’ATP. Donc, ces résultats fournissent des indices sur la manière dont l’étirement de la membrane viscoélastique peut mener au relargage d’ATP par un mécanisme alternatif impliquant une mécanoporation de la membrane cellulaire. Dans l’ensemble, ces résultats démontrent que le relargage d’ATP ne se produit pas à travers les canaux conduisant l’ATP mais plutôt par une mécanoporation transitoire de la membrane. D’autres études sur les dommages membranaires sont nécessaires pour mieux comprendre sa contribution dans le relargage d’ATP mécanosensible et les signaux de [Ca2+]i. De telles études élucideront la signalisation purinergique dans les organes qui sont constamment exposés à des contraintes physiques. Ceci pourrait suggérer des cibles/approches thérapeutiques pour moduler les impacts négatifs d’un relargage d’ATP excessif observés lors de certaines conditions pathologiques, telles que les lésions pulmonaires induites par la ventilation mécanique. / ATP is widely known to be an energy carrier within cells, but outside of the cell, it acts as an extracellular signaling molecule. Upon binding to purinergic receptors, extracellular ATP initiates the purinergic signaling to regulate certain physiological and pathophysiological processes. In the lungs, ATP stimulates surfactant secretion and promotes mucociliary clearance. Given the critical role of extracellular ATP in the lungs, it is important to understand the mechanism of cellular ATP release — the first step of purinergic signaling. Because mechanical forces constitute the primary trigger of ATP release, this thesis aims to investigate the physiological mechanism(s) and cellular sources of such mechanosensitive ATP release. This work is divided into three parts: 1) To study the spatial and temporal characteristics of ATP release, I developed a highly sensitive imaging technique based on luciferin-luciferase bioluminescence coupled with a custom-designed lens system, which combined a wide field of view (WFOV) and high light-gathering power. To evaluate our imaging approach, I subjected A549 cells, derived from human lung adenocarcinoma, to stretch or 50% hypotonic shock to trigger ATP release. I demonstrated that our technique allows us to precisely quantify the amount and the rate (or efflux) of ATP escaping from cells. The WFOV constitutes an essential tool used in the studies described in this thesis to determine the mechanism and cellular source of ATP release in the alveolus. 2) To examine the physiological mechanism of stretch-induced ATP release in primary alveolar cells, I determined the individual contributions of alveolar type 1 (AT1) in comparison with alveolar type 2 (AT2) cells. To this end, freshly isolated AT2 cells from rat lungs were seeded on a flexible silicone chamber and were cultured for up to seven days, which allowed AT2 cells to progressively transdifferentiate into AT1-like cells. The ratio of alveolar cells (AT2:AT1), being 4:1 on day 3, became 1:4 on day 7. The quantity of released ATP decreased with the decreasing numbers of AT2 cells, implicating them as the main source of ATP release in response to stretch. While pharmacological ATP channel modulators, carbenoxolone and probenecid, did not diminish the amount of ATP release, BAPTA, an intracellular calcium ([Ca2+]i) chelator, significantly reduced it. Likewise, these three modulators had similar effects on intracellular calcium responses measured by Fura-2, suggesting a connection between ATP release and [Ca2+]i levels. 3) To explore the role of membrane viscoelastic properties in mechanosensitive ATP release, I demonstrated that a 30% strain induced transient ATP release that was accompanied by uptake of propidium iodide (PI) in AT2 cells. This is consistent with a strain-induced transient membrane rupture, big enough for the passage of ATP and PI. ATP efflux also increases with strain rate, and hold time prolongs the half-life of ATP release. Thus, these results provide clues on how stretching of the viscoelastic membrane may lead to ATP release via an alternate mechanism involving transient mechanoporation of the cell membrane. Overall, these findings demonstrate that stretch-induced ATP release does not occur through ATP-conducting channels but rather a transient membrane mechanoporation. Further studies on membrane injury induced by strain are needed to better understand its contribution to mechanosensitive ATP release and [Ca2+]i signaling. Such studies will elucidate purinergic signaling in organs that are constantly exposed to physical stresses. This could suggest novel therapeutic targets/approach to modulate the negative impacts of excessive ATP release observed under certain pathological conditions, such as ventilator-induced lung injury.

Le travail présenté porte sur la rhéologie, la mise en forme et la caractérisation de matériaux biocomposites de nouvelles générations pour des applications orthopédiques. Dans le cadre de cette étude, des biocomposites poly (D,L-lactide) (PDLLA)/bioverres ont été élaborés par extrusion bivis sous atmosphère inerte. Les bioverres différent par la nature de leur traitement thermique et leur morphologie. La première partie a été consacrée à l’étude de l’état de la dispersion des bioverres dans la matrice polymère. Nous avons montré que l’homogénéité de cette dispersion dépend, d’une part de la structure, de la morphologie, du taux volumique des charges et d’autre part des paramètres du procédé (cisaillement, température,…). Le comportement rhéologique des suspensions a été étudié à l’état fondu ainsi qu’à l’état solide. Un accent particulier a été porté sur l’étude de l’influence du taux des bioverres, de leur taille moyenne et plus particulièrement de leur traitement thermique. Les masses molaires de PDLLA extrait des composites élaborés ont été évaluées par chromatographie d’exclusion stérique (CES). Enfin, la qualité de la dispersion des charges, en termes de distance inter-particulaire et taille moyenne, a été étudiée par microscopie électronique à balayage (MEB) et analyses d’image. Il a été montré que l’utilisation de bioverres non traités thermiquement lors de la mise en forme de composites à haute température provoque la dégradation de la matrice. Aussi, on assiste à une réduction des masses molaires. Les propriétés viscoélastiques et les propriétés mécaniques sont altérées à leur tour. Cette dégradation a été étudiée par spectroscopie infrarouge (IRTF) et par analyse thermogravimétrique (ATG). Les origines et mécanismes sous-jacents de cette dégradation ont été proposés. Il est démontré pour la première fois que la présente dégradation du PDLLA peut être atténuée par l’emploi de différentes charges céramiques à propriétés spécifiques. En outre, l’utilisation de ces bioverres a permis l’obtention d’une dispersion homogène au sein de la matrice. L’analyse des propriétés rhéologiques de tels matériaux et leur modélisation a permis de mettre en évidence les interactions matrice-charges. La deuxième partie de l’étude a porté sur l’élaboration des biocomposites multicouches à gradient de propriétés par coextrusion. Ces multicouches présentent, d’une part, des propriétés variables selon le type de traitement et de composition du bioverre actif. D’autre part, le gradient de propriété a été également réalisé en faisant varier les paramètres expérimentaux relatifs au procédé de coextrusion. Les matériaux finaux, ainsi obtenus, présentent de très bonnes propriétés cohésives avec une bioactivité maîtrisée et contrôlée. / Bioactive and biodegradable composites have gained increasing importance in the orthopedic field as bone replacement materials and as scaffolds for tissue engineering. In this study, biocomposites based on poly(D,L-lactide) (PDLLA) and bioactive glass fillers were prepared by a twin screw extrusion under Argon inert gas with various filler contents, thermal treatments and particle sizes. The processing conditions were monitored to produce composites with well controlled physico-chemical, mechanical and dispersive properties. The aim of the present work is to gain a fundamental understanding of the relationships between structure, processing conditions and final properties of these biocomposites. The dispersion state of fillers was characterized by SEM. It was highlighted that the inclusion of non treated bioglass in PDLLA under elevated temperatures resulted in a decrease of molar mass. This degradation of the matrix leads to a reduction of the viscoelastic and mechanical properties of the composites. The origin and mechanisms of this degradation were probed using a Fourier Transform Infrared (FTIR) spectroscopy. The optimization of their processing allows a better control of this drastic loss of properties. Furthermore, the demonstration had been done that the present degradation of PDLLA matrix can be attenuated using a different glass ceramics with a special size and thermally treated. The rheological behaviour in linear and non linear viscoelasticity of the controlled PDLLA/BG suspensions has been assessed in both solid and molten state. Hence, their experimental rheological behaviour was compared to the theoretical suspension models. Finally, the effects of volume fraction, particle size and thermal treatment on the mechanical properties have been also investigated and discussed. The obtained results corroborate the rheological and physic-chemical ones. Finally, the multilayer structures with various amounts and treatments of BG fillers were obtained by a designed scale lab coextrusion machines. The gradient of properties has been obtained and improved cohesion properties between the neighboring were highlighted. Their bioactivity was finally demonstrated. At last, no residual stress inside the multilayers can be observed. This observation explains the conservation of the initial shape of those implants, without nor deformation neither relaxation, during the simulation of the chirurgical implantation in SBF.

Pour le diagnostic et la stratification de la fibrose hépatique, la rigidité du foie est un biomarqueur quantitatif estimé par des méthodes d'élastographie. L'élastographie par ondes de cisaillement (« shear wave », SW) utilise des ultrasons médicaux non invasifs pour évaluer les propriétés mécaniques du foie sur la base des propriétés de propagation des ondes de cisaillement. La vitesse des ondes de cisaillement (« shear wave speed », SWS) et l'atténuation des ondes de cisaillement (« shear wave attenuation », SWA) peuvent fournir une estimation de la viscoélasticité des tissus. Les tissus biologiques sont intrinsèquement viscoélastiques et un modèle mathématique complexe est généralement nécessaire pour calculer la viscoélasticité en imagerie SW. Le calcul précis de l'atténuation est essentiel, en particulier pour une estimation précise du module de perte et de la viscosité. Des études récentes ont tenté d'augmenter la précision de l'estimation du SWA, mais elles présentent encore certaines limites. Comme premier objectif de cette thèse, une méthode de décalage de fréquence revisitée a été développée pour améliorer les estimations fournies par la méthode originale de décalage en fréquence [Bernard et al 2017]. Dans la nouvelle méthode, l'hypothèse d'un paramètre de forme décrivant les caractéristiques spectrales des ondes de cisaillement, et assumé initialement constant pour tous les emplacements latéraux, a été abandonnée permettant un meilleur ajustement de la fonction gamma du spectre d'amplitude. En second lieu, un algorithme de consensus d'échantillons aléatoires adaptatifs (« adaptive random sample consensus », A-RANSAC) a été mis en œuvre pour estimer la pente du paramètre de taux variable de la distribution gamma afin d’améliorer la précision de la méthode. Pour valider ces changements algorithmiques, la méthode proposée a été comparée à trois méthodes récentes permettant d’estimer également l’atténuation des ondes de cisaillements (méthodes de décalage en fréquence, de décalage en fréquence en deux points et une méthode ayant comme acronyme anglophone AMUSE) à l'aide de données de simulations ou fantômes numériques. Également, des fantômes de gels homogènes in vitro et des données in vivo acquises sur le foie de canards ont été traités. Comme deuxième objectif, cette thèse porte également sur le diagnostic précoce de la stéatose hépatique non alcoolique (NAFLD) qui est nécessaire pour prévenir sa progression et réduire la mortalité globale. À cet effet, la méthode de décalage en fréquence revisitée a été testée sur des foies humains in vivo. La performance diagnostique de la nouvelle méthode a été étudiée sur des foies humains sains et atteints de la maladie du foie gras non alcoolique. Pour minimiser les sources de variabilité, une méthode d'analyse automatisée faisant la moyenne des mesures prises sous plusieurs angles a été mise au point. Les résultats de cette méthode ont été comparés à la fraction de graisse à densité de protons obtenue de l'imagerie par résonance magnétique (« magnetic resonance imaging proton density fat fraction », MRI-PDFF) et à la biopsie du foie. En outre, l’imagerie SWA a été utilisée pour classer la stéatose et des seuils de décision ont été établis pour la dichotomisation des différents grades de stéatose. Finalement, le dernier objectif de la thèse consiste en une étude de reproductibilité de six paramètres basés sur la technologie SW (vitesse, atténuation, dispersion, module de Young, viscosité et module de cisaillement). Cette étude a été réalisée chez des volontaires sains et des patients atteints de NAFLD à partir de données acquises lors de deux visites distinctes. En conclusion, une méthode robuste de calcul du SWA du foie a été développée et validée pour fournir une méthode de diagnostic de la NAFLD. / For diagnosis and staging of liver fibrosis, liver stiffness is a quantitative biomarker estimated by elastography methods. Ultrasound shear wave (SW) elastography utilizes noninvasive medical ultrasound to assess the mechanical properties of the liver based on the monitoring of the SW propagation. SW speed (SWS) and SW attenuation (SWA) can provide an estimation of tissue viscoelasticity. Biological tissues are inherently viscoelastic in nature and a complex mathematical model is usually required to compute viscoelasticity in SW imaging. Accurate computation of attenuation is critical, especially for accurate loss modulus and viscosity estimation. Recent studies have made attempts to increase the precision of SWA estimation, but they still face some limitations. As a first objective of this thesis, a revisited frequency-shift method was developed to improve the estimates provided by the original implementation of the frequency-shift method [Bernard et al 2017]. In the new method, the assumption of a constant shape parameter of the gamma function describing the SW magnitude spectrum has been dropped for all lateral locations, allowing a better gamma fitting. Secondly, an adaptive random sample consensus algorithm (A-RANSAC) was implemented to estimate the slope of the varying rate parameter of the gamma distribution to improve the accuracy of the method. For the validation of these algorithmic changes, the proposed method was compared with three recent methods proposed to estimate SWA (frequency-shift, two-point frequency-shift and AMUSE methods) using simulation data or numerical phantoms. In addition, in vitro homogenous gel phantoms and in vivo animal (duck) liver data were processed. As a second objective, this thesis also aimed at improving the early diagnosis of nonalcoholic fatty liver disease (NAFLD), which is necessary to prevent its progression and decrease the overall mortality. For this purpose, the revisited frequency-shift method was tested on in vivo human livers. The new method's diagnosis performance was investigated with healthy and NAFLD human livers. To minimize sources of variability, an automated analysis method averaging measurements from several angles has been developed. The results of this method were compared to the magnetic resonance imaging proton density fat fraction (MRI-PDFF) and to liver biopsy. SWA imaging was used for grading steatosis and cut-off decision thresholds were established for dichotomization of different steatosis grades. As a third objective, this thesis is proposing a reproducibility study of six SW-based parameters (speed, attenuation, dispersion, Young’s modulus, viscosity and shear modulus). The assessment was performed in healthy volunteers and NAFLD patients using data acquired at two separate visits. In conclusion, a robust method for computing the liver’s SWA was developed and validated to provide a diagnostic method for NAFLD.