Tissue characterization is a major step in tissue mechanobiological studies. By characterization methods, tissue quality i.e. the combination of tissue structural, compositional and mechanical properties, is determined. This research focuses on mechanical characterization methods. Among all mechanical characterization methods, we propose those ones which are: 1) Non-destructive, (i.e. that reserves the capability of doing other characterization tests at the end of mechanical test; and, 2) In-line, (that enables tissue progression observation during experiment, and without transferring the specimen from one apparatus to another). However, in-line characterization raises the question of whether conducting tissue observation methods during experimentation modifies tissue progression over time. Therefore, the purpose of this study was to deepen our knowledge about the parameters which could affect tissue quality during mechanical testing. This requires a better understanding of viscoelasticity and viscoplasticity, two key behaviors of tissue, affecting the impact of these parameters (e.g. tissue quality, stimulation parameters) on the response of live tissue to biophysical stimuli. Thus, the objectives of this study were: 1. To review the literature to find information about two mechanical behaviors of tissue i.e. viscoelasticity and viscoplasticity, and the way they affect tissue properties 2. To investigate whether diagnostic tests, as mechanical characterization tests to observe tissue properties, affect tissue progression We explain that viscoelasticity and viscoplasticity of tissue originate from structure and components of the extracellular matrix. We also describe the way they affect tissue dynamic competition between repair, enzymatic degradation and mechanical degradation of the extracellular matrix. Moreover, we specify some tissue stimulation parameters, such as stimulation control type or stimulus history, which could affect tissue progression in response to biophysical stimuli because of viscoelasticity and viscoplasticity. Moreover, by conducting a series of 3-day experiments on frshly extracted tendons, we investigated whether applying "stress relaxation" tests at physiological amplitudes affects tissue response. We divided the tendons into two groups based on the characterization protocol (24 and 0 stress relaxation tests each day), and compared the progression of these groups over time. The stress relaxation tests at physiological amplitude modified tissue response to mechanical stimuli in vitro . In general, the modulus increased for 0 stress relaxation tests, while it first decreased and then increased slightly for 24 stress relaxation tests each day. The difference of mechanical properties between the two groups was significant. Therefore, applying stress relaxation tests at physiological amplitude during the rest periods between mechanical stimuli can affect live tissue progression over time. Therefore, it is essential to take into account the viscoelasticity and viscoplasticity of tissue while developing a stimulation protocol for bioreactor studies or clinical applications.

Les matériaux viscoélastiques sont utilisés dans tous les domaines de l'ingénierie et des systèmes mécaniques, de l'électroménager, spatial, l'automobile, l'aéronautique ou le génie civil (ponts...) grâce à leur capacité d'amortir les chocs ou de filtrer les vibrations. Ce travail constitue une contribution à l'étude du comportement dynamique non linéaire des composants viscoélastiques notamment les élastomères. Dans ce mémoire, on introduit, d'abord, les propriétés mécaniques des élastomères, pour les aspects viscoélasticité et friction. Un rappel des différents phénomènes physiques et une liste non-exhaustive des modèles existants dans la littérature sont présentés. Ensuite, on propose des techniques expérimentales afin de décrire le comportement dynamique sous sollicitations uniaxiales d'un élastomère. Une description des bancs d'essais, des chaines d'analyse vibratoire, des méthodes de traitement des données des essais et d'analyse des mesures expérimentales est détaillée dans ce manuscrit. Une nouvelle approche du modèle de Maxwell généralisé a été proposée pour décrire le comportement dynamique du composant viscoélastique. Ce modèle permet une description précise et une bonne connaissance du comportement dynamique des composants viscoélastiques en fonction de l'amplitude, de la précharge et de la fréquence. La dissipation d'énergie identifiée sous forme d'amortissement peut être issue de l'amortissement intrinsèque des matériaux polymère comme de la friction aux interfaces dans le cas de composants caoutchoucs non adhérisés sur les pièces, dans ce travail, un nouveau modèle visco-tribologique a été développé en couplant les propriétés rhéologiques linéaires du modèle de Maxwell généralisé et le modèle de frottement de Dahl pour la description du comportement de frottement hystérétique des liaisons viscoélastiques non adhérisées.

La métastase des cellules cancéreuses est un processus caractérisé par un comportement de la cellule anormal. Les propriétés mécaniques particulières des cellules cancéreuses est l'une des caractéristiques pathologiques principales. Ces propriétés sont liées à leurs capacités à envahir les tissus avoisinants, à transmigrer et à proliférer vers de nouveaux sites. La progression du cancer est caractérisée par la perturbation et la réorganisation du cytosquelette d'actine ainsi que par des changements des propriétés mécaniques des cellules, probablement liés à la capacité dupliquée des cellules cancéreuses à migrer et à s'adapter à l'environnement.Les propriétés mécaniques sont essentielles pour la régulation des fonctions cellulaires comme la migration, l'adhésion, la prolifération, et la différentiation, et les anomalies sont associées aux pathologies, en particulier le cancer. Les propriétés mécaniques sont aussi dépendantes du micro-environnement de la cellule, et la rigidité des substrats modifie les propriétés mécaniques internes des cellules, ainsi que la structure du cytosquelette. Ainsi, comprendre les processus impliqués dans les variations des propriétés viscoélastiques est essentiel pour l'étude de la progression des tumeurs.La microscopie à force atomique (AFM) a prouvé être un outil fiable pour sonder les propriétés mécaniques statiques et dynamiques (sur de grande gamme de fréquence) de matériaux mous, comme les spécimens biologiques, à de petites échelles et grande résolution.Dans cette étude, nous proposons de nouveaux marqueurs du cancer basé sur une approche mécanobiologique. Les propriétés viscoélastiques de cellules cancéreuses de la vessie sont mesurées par des expériences d'indentation dynamiques par AFM. Cette méthode est validée en utilisant des gels de polyacrylamide et un modèle à fractions dérivées est proposé pour décrire le comportement mécanique de ces gels. Ensuite, le module de cisaillement complexe de trois lignées cellulaires à potentiel métastatique différent est mesuré à trois positions différentes de la cellule: le noyau, le périnoyau et la périphérie de la cellule. En utilisant des drogues d'inhibition de l'actine, les propriétés mécaniques sont corrélées à la microstructure de l'actine obtenue par microscopie confocale. Nous proposons un modèle simplifié pour décrire le comportement des modules élastiques G' et visqueux G''. Une relation entre l'invasivité des cellules cancéreuses et leur propriétés mécaniques est aussi mis en avant. En particulier, nous trouvons que le plateau élastique et la fréquence de transition (quand G'=G'') peuvent être utilisés comme marqueurs d'invasivité. Enfin, nous mesurons le module de cisaillement complexe de cellules cancéreuses adhérentes sur des environnements mécaniques et biologiques différents, et des propriétés intrigantes de la périphérie des cellules cancéreuses sont reportées. / Cancer cell metastasis is a multi-stage process characterized by cell malfunctional behavior. Some of the major pathological characteristics of cancer cells are their particular mechanical properties which are linked to their ability to invade surrounding tissues, transmigrate and proliferate at new sites. There are evidences that cancer progression is characterized by disruption and reorganization of the actin cytoskeleton as well as changes in the mechanical properties. This change is probably associated with the enhanced capability of cancer cells to migrate and adapt to changing environments.The mechanical properties are essential for the regulation of cell functions like migration, adhesion, proliferation and differentiation, and abnormalities are connected with pathologies, in particular cancer metastasis. The mechanical properties are also dependent on the micro-environment of the cell, as substrate stiffness changes cell internal mechanical properties, as well as the cytoskeleton structure. Thus, the understanding of the mechanics involved in the variation of the viscoelastic properties is crucial for the study of tumor progression.Atomic force microscopy (AFM) has proved to be a reliable tool to probe static and frequency–dependent mechanical properties of soft materials, like biological specimens, at small scale with high resolution.In this study, we propose new markers of cancer metastasis based on a cell mechanics approach. We report on the viscoelastic properties of human bladder cancer cells measured by dynamic indentation experiments using AFM. This method is first calibrated using polyacrylamide gels and a fractional model is proposed to describe the behavior of such gels. We then investigate the complex shear modulus of three different cell lines with different metastatic potential. We probe the elastic G' and viscous G'' modulus at three different locations across the cell: nucleus, perinucleus and the cell periphery. With the use of actin inhibitory drugs, we correlate mechanical properties and the actin microstructure obtained by confocal microscopy imaging. We propose a simplified power-law model to describe the behavior of the elastic and viscous moduli. We also report a relationship between the malignancy of cancer cells and their viscoelastic properties. In particular, we find that the elastic plateau modulus and the transition frequency (frequency at which G' = G'' ) can be used as markers of invasiveness. Then, we probe the complex shear modulus of cancer cells on different mechanical and biological environments and we report intriguing properties of the periphery of cancer cells.

L’influence des propriétés microscopiques de l’interphase entre la matrice et les fibres sur le comportement mécanique macroscopique n’est pas suffisamment connue dans le domaine des polymères renforcés par fibres courtes. Dans le cadre de cette thèse, une étude systématique des propriétés géométriques et mécaniques de l’interphase est réalisée concernant la description des effets sur la réponse viscoélastique linéaire du composite. Dans ce contexte, les résultats présentés mettent l’accent sur l’interaction entre la modélisation micromécanique et la caractérisation expérimentale. D’une part, un nouveau modèle micromécanique en deux étapes est développé pour la description d’un composite anisotrope à trois phases avec interphases. D’autre part, les paramètres du matériau utilisés pour la modélisation micromécanique sont identifiés avec des méthodes expérimentales aux échelles micro- et macroscopiques. En comparaison des résultats expérimentaux avec les propriétés effectives calculées de matériau composite, une inférence peut être faite sur les propriétés mécaniques du composite à partir de celles de l’interphase. Par conséquent, une méthode inverse est proposée offrant un accès aux propriétés inconnues de l’interphase. Enfin, la combinaison de la modélisation micromécanique et des résultats expérimentaux permet une meilleure compréhension des propriétés mécaniques de l’interphase, qui n’étaient auparavant pas accessibles au moyen de seules approches expérimentales / In order to improve the mechanical properties of short fiber composites, the fiber-matrix adhesion is decisive and depends strongly on the intersection region between the fiber and the matrix material. However, no perspicuous information about the influence or mechanical properties of the fiber-matrix interphase in short fiber reinforced thermoplastic composites is available. Thus, the present thesis aims for a systematic identification of the geometrical and mechanical impacts of an interphase on the linear-viscoelastic behavior in short glass fiber reinforced thermoplastics. Thereby, the performed investigations are focused on the interaction between micromechanical material modeling and experimental testing. On the one hand, a two-step modeling approach is developed for the realistic description of an entire three phase composite with interphase including anisotropic and linear-viscoelastic effects. On the other hand, the input of this model is provided by different experimental testing methods ranging from the micro- to the macroscale characterization of the composite and matrix material. By comparing these experimental results with the linear-viscoelastic modeling output, the impact of the interphase on the mechanical properties of the composite is accessible. Thus, it is shown that a realistic material modeling and experimental investigations are closely interlinked

Les propriétés viscoélastiques des fluides déterminent leur écoulement. L’étude de ces propriétés a de nombreuses applications industrielles et académiques qui concernent la matière dite « molle » (polymères, colloïdes, tensioactifs, protéines, ...). L’approche proposée permet d'étudier ces propriétés sur une gamme de fréquence allant de 1 à 100 kHz. La méthode utilise la mesure de la vibration d’une microstructure actionnée électromagnétiquement et immergée dans le fluide à caractériser. La réponse en fréquence du système mécanique, mesurée optiquement ou électriquement, est caractéristique du milieu dans lequel la structure est immergée. Une méthode analytique dédiée aux micropoutres, pour l’extraction des propriétés rhéologiques du milieu, a été améliorée tout au long de la thèse.La méthode analytique développée, pour être appliquée, nécessite la précision d’un système optique complexe pour mesurer sans artefact les propriétés mécaniques de l’interaction micropoutre-liquide. Ainsi les liquides opaques ne peuvent être caractérisés avec cette approche. De plus la mesure peut difficilement être intégrée dans un dispositif portable tout-électronique. Afin de pallier ces difficultés et de proposer une mesure de la viscoélasticité en milieu opaque, la stratégie de mesure du capteur jusqu’au traitement des signaux ont été réévalués : (1) des microstructures en « U » ont été fabriquées, (2) une méthode de mesure intégrée a été mise en place et (3) une méthode de traitement à fréquence unique a été utilisée. Finalement, un liquide opaque viscoélastique, le yaourt, a pu être caractérisé in-situ tout au long de la fermentation lactique permettant de démontrer la validité et l’applicabilité de la méthode mise en œuvre pour le suivi en temps réel de la viscoélasticité. / The study of viscoelastic properties has many industrial and academic applications related to "soft matter" like polymers, colloids, surfactants or proteins. The present approach measures these properties in a frequency range from 1 to 100 kHz. The method uses the measurement of the vibration of a microstructure actuated electromagnetically and immersed in the fluid that has to be characterized. The frequency response of the mechanical system, which is measured optically or electrically, is characteristic of the environment in which the structure is immersed in. An analytical method dedicated to microcantilevers for the extraction of the rheological properties has been improved during this PhD thesis.The analytical method developed requires the accuracy of a complex optical system for measuring without artifact the mechanical properties of microcantilever-liquid interaction. Thus opaque liquids cannot be characterized with this sytem. In addition, the measurement cannot easily be integrated. To overcome these difficulties and provide the measurement of viscoelasticity into opaque medium, some strategy was reassessed: (1) “U” shaped microstructures were fabricated; (2) an integrated measurement method was developed and (3) a single frequency method was used to calculate the viscoelasticity.Finally, a viscoelastic and opaque liquid, such as yogurt, has been characterized in situ during the lactic fermentation to demonstrate the validity and the applicability of the method for the real-time monitoring of viscoelasticity.

Les élastomères présentent une diversité d’utilisation et des caractéristiques mécaniques spécifiques (grandes déformations, comportement dissipatif, ...) qui en font une famille de matériaux très utilisés dans l’industrie. Lors de leur fonctionnement, les pièces réelles subissent des sollicitations complexes. Comprendre les phénomènes induits par la fatigue multiaxiale constitue ainsi un enjeu important dans la phase de conception industrielle. Le matériau utilisé au cours de cette étude est un polychloroprène (CR), fourni par la société Hutchinson et présent dans les poulies découpleuses. Celui-ci possède une réponse dissipative en grandes déformations. Son comportement est modélisé à partir de lois de comportements viscohyperélastiques suivant deux approches : une méthode analytique impliquant un calcul simple en un point d’un cylindre et l’autre utilisant un calcul éléments finis implémenté dans ANSYS. Une campagne expérimentale en fatigue multiaxiale est alors réalisée, en traction-torsion afin de tester l’énergie dissipée comme critère de fatigue multiaxial. Celui-ci présente des résultats intéressants. Des diagramme de Haigh ont été établis afin de mettre en évidence le phénomène de cristallisation. Des analyses post-mortem ont été menés avec un microscope électronique à balayage et expose des spécificités morphologiques liées à la sollicitation vue par le matériau. / Due to their interesting mechanical behavior (large strain, dissipative behavior ...) and their diversity, elastomers are more and more used in industry. In service conditions, rubber components are subjected to complex loadings. Therefore, understanding phenomena induced by multiaxial fatigue constitutes an important issue in the industrial conception’s step. The material used in this work is a polychloroprene rubber, provided by Huchinson society and dedicated to silent-block’s applications. This elastomer possess a dissipative component at large strains. This behavior is determined following two approaches : an analytic method, implying a simple calculation at a local point of a cylinder and a finite elements analysis implemented with ANSYS software. An experimental investigation in multiaxial fatigue is then realized to test the dissipated energy density as a multiaxial fatigue criterion. This parameter obtained interesting results. Haigh diagrams has been built to point out crystallization phenomenon. Post-mortem analyses has been carried out with a scanning electronic microscope and exposes morphological specificities related to the material’s sollicitation.

Le présent travail porte sur l’étude expérimentale, analytique et numérique du comportement mécanosorptif et viscoélastique couplé du bois. Le comportement mécanosorptif intègre notamment le phénomène hygroverrou qui se caractérise par un blocage des déformations en phase de séchage sous contrainte. Afin d’aborder cette étude, la structure, la microstructure ainsi que le comportement hydromécanique du bois sont rappelés. Parallèlement, la théorie de la viscoélasticité linéaire ainsi que les méthodes analytiques propres à la résolution de tels problèmes sont présentées. Ensuite, des essais mécanosorptifs préliminaires de caractérisation des propriétés mécaniques sont effectués sur du Sapin Blanc (Abies alba Mill.) du Massif central grâce à un dispositif expérimental approprié. La description du dispositif expérimental, du protocole utilisé ainsi que les dimensions des échantillons testés sont présentées. Des essais mécanosorptifs en relaxation et en fluage sous chargement et humidité relative variables sont également effectués. En particulier, deux essais en relaxation sous déformation imposée constante et humidité relative variable et un essai de fluage sous contrainte et humidité relative variables de façon cyclique, sont exposés. Sur la base des données issues des essais préliminaires et viscoélastiques, la déformation hygroverrou est isolée via la partition de la déformation selon des parts élastique, visqueuse et hydrique. Par la suite, un modèle analytique est proposé pour la modélisation de la déformation hygroverrou. Un modèle pseudo élastique, basé sur les lois de Hooke (en humidification) et de Hooke restreint (en séchage), est formulé en rigidité et en complaisance. Dans ce cas, plusieurs modèles rhéologiques viscoélastiques mécanosorptifs sont proposés. Ces modèles sont classés en fonction du couplage de leurs effets et du principe de partition formulés en contrainte ou en déformation. Des lois de comportement basées sur ces modèles et formulées sous forme d’équations intégrales et incrémentales adaptées à la mise en oeuvre numérique sont finalement développées. Enfin, des exemples illustratifs montrent l’équivalence des deux expressions pseudo élastiques formulées en rigidité et en complaisance ; parallèlement, une validation des modèles viscoélastiques mécanosorptifs proposés, en relaxation et en fluage, par comparaison aux résultats expérimentaux est effectuée. Ces résultats montrent l’efficacité des modèles établis ainsi que la pertinence des essais expérimentaux réalisés pour la mise en évidence et la prise en compte des comportements mécanosorptif et viscoélastique couplés. / This work focuses on experimental, analytical and numerical study of the coupled viscoelastic mechanosorptive behavior of wood under complex mechanical loading. The mechanosorptive behavior incorporates hygroverrou phenomenon, it is the deformation locking that expresses a distortion in the drying phase under stress. For this study, the structure, microstructure and hydromechanical behavior of wood are recalled. Meanwhile, the viscoelasticity linear theory’s and the analytical resolution methods of such problem are presented. Then, mechanosorptive tests are performed on white fir (Abies Alba Mill.) with appropriate experimental device. The description of the experimental device, the protocol used and the dimensions of the samples tested are shown. Moreover, mechanosorptive tests in relaxation and creep under variables load and in relative humidity are carried out. Two relaxation tests under constant imposed deformation and variable relative humidity and a test under variables stress and relative humidity cyclically are exposed. Based on data from preliminary viscoelastic and tests, the hygrolock strain is isolated according to the partition of the deformation to elastic, viscous and hydric parts. Subsequently, an analytical model is proposed for modeling the hygrolock strain. Finally, a pseudo-elastic model, based on the Hooke (humidification) and Hooke restricted laws (in drying), is formulated in rigidity and compliance. Subsequently, several viscoelastic mechanosorptive rheological models are proposed. The models are classified according to the coupling effects as well as the partition stress or strain principle. The behavior laws based on these models are formulated as integrals and incremental equations suitable for numerical implementation. Thereafter, illustrative examples have shown the equivalence of the two formulations and followed by validation of viscoelastic models mechanosorptive proposed in relaxation and creep compared with experimental results. Finally, these results demonstrate the effectiveness of established models and the quality of the proposed models on consideration of viscoelastic mechanosorptive behavior and experimental tests coupled.

Le sang est un fluide complexe mis en écoulement par la pompe très peu puissante qu'est le cœur (environ 1 W), dans un réseau branché de plusieurs milliers de kilomètres de vaisseaux. Pour que cela soit réalisable, il se peut que les propriétés mécaniques du sang contribuent à l'entretien de l'écoulement. Malgré le nombre important d'études sur la rhéologie du sang, sa viscoélasticité n'a jamais été caractérisée en cisaillement simple. Le rôle physiologique du caillot est, lui, d'éviter un épanchement excessif de sang en présence d'une brèche vasculaire. Une de ses fonctions principales est donc de résister aux contraintes générées par l'écoulement sanguin, c'est-à-dire d'avoir une résistance mécanique appropriée. Que ce soit pour la caractérisation mécanique du sang ou du caillot, le principal verrou est l'absence de méthode de mesure adaptée à un matériau peu consistant, et dont les propriétés mécaniques sont en évolution rapide. Il est donc nécessaire de produire une méthode de mesure adéquate, couplée à un système de mesure assez sensible. Dans ce travail, nous présentons la méthode de rhéométrie que nous avons développée dans ce but, baptisée Optimal Fourier Rheometry (OFR). Cette technique a été validée avec succès sur différents matériaux modèles de plus en plus complexes : une huile newtonienne, une gomme viscoélastique (PDMS), une suspension de micelles vermiformes (CpCl Nasal) et enfin un alginate dentaire tout au long de sa gélification. Nous montrons ainsi que l'OFR est une technique de mesure fonctionnelle, fiable et optimale temporellement. Elle permet le suivi de grandeurs mécaniques dont le temps caractéristique de mutation est très inférieur à la minute. En raison de la sédimentation des globules rouges, le sang est un fluide évoluant dans le temps. Par conséquent l'OFR est bien adaptée pour la mesure de ses propriétés viscoélastiques. Pour nous affranchir de la variabilité très importante du sang de témoins, nous avons balayé de façon systématique la concentration en les composants sanguins les plus abondants sur des suspensions de globules rouges lavés. De façon a priori surprenante, nous montrons qu'en présence de fibrinogène, le sang présente une élasticité importante, du même ordre de grandeur, voire plus grande que sa viscosité. Cette élasticité augmente avec la concentration en fibrinogène et l'hématocrite et provient du réseau percolé de globules rouges agrégés de dimension fractale 2.08 qui existe dans la suspension lorsqu'elle est peu cisaillée. L'OFR a également été appliquée au suivi de la coagulation activée par voie intrinsèque et extrinsèque. Cela a permis de montrer que le procédé d'activation n'avait d'effet que sur la cinétique de la réaction, mais que cela ne changeait pas les étapes mécaniques observées. L'OFR permet grâce à sa résolution fréquentielle élevée et son temps de mesure minimal, d'affirmer que le processus de coagulation du sang n'est pas une transition sol-gel. / Blood is a complex fluid set into flow by the heart, which is a very low power pump (approximately 1 W), in a connected network consisting of several thousand kilometers of vessels. To do so, it seems reasonable that the mechanical properties of blood contribute to the maintenance of the flow. In spite of the important number of studies on blood rheology, the viscoelasticity of blood has never been characterized in simple shear. The physiological role of the blood clot is to avoid an excessive effusion of blood in the presence of a vascular breach. Thus, it has to resist to the stress induced by the blood flow. So, one of its essential functions is this mechanical resistance. Whether it is for the mechanical characterization of the blood or the clot, the main obstacle is the absence of viscoelasticity measurement techniques adapted to a low viscosity material evolving rapidly in time. So, it is necessary to provide an adapted measurement method, coupled with a sensitive enough measurement. In this work, we present the new rheometry method we developed, named Optimal Fourier Rheometry (OFR) as it is optimal both in duration and signal to noise ratio This method was successfully validated on materials of increasing complexity: a Newtonian oil, a viscoelastic gum (PDMS), a suspension of wormlike micelles (CpCl Nasal) and a dental alginate during its gelation. Because of the sedimentation of red blood cells, the mechanical properties of blood are evolving in time. Consequently the use of the OFR is well suited for the measurement of its viscoelastic properties. A systematic scanning of the concentrations in the most abundant blood components added to washed blood allowed to highlight the most important parameters. Our results show that blood has a surprisingly large elasticity, which is of the same order of magnitude as the viscosity of the material. This elasticity increases with fibrinogen concentration and hematocrit. When these two parameters are in the physiological range, a percolated network of aggregated red blood cells exists in the suspension of fractal dimension 2.08. The, OFR was applied to the monitoring of blood clot formation. The activation by intrinsic and extrinsic pathway was used on whole blood. It showed that the process of activation affects only the kinetics of the reaction, but does not change the observed mechanical s. Due to its high frequency resolution and minimal measurement time, OFR shows that coagulation is not a gelation process.

La contraction périodique du coeur est à l’origine de l’onde de pouls qui, de part son interaction avec les artères élastiques, le sang et le réseau artériel lui-même, devient le signal observé quotidiennement par les médecins. Cette dynamique ondulatoire est d’une importance primordiale dans la compréhension de la genèse de nombreuses maladies cardiovasculaires. En effet, ce sont souvent des facteurs hémodynamiques qui sont à l’origine de la croissance de ces pathologies. Malheureusement, les mesures non-invasives et l’imagerie médicale sont souvent insuffisantes pour appréhender la complexité des écoulements sanguins. La simulation numérique est donc en plein essor car celle-ci permet d’obtenir des données précises dans des régions vasculaires difficiles d’accès. Bien que les modèles sanguins tridimensionnels soient très précis et permettent de reproduire fidèlement la géométrie vasculaire, leur coût, à la fois numérique et paramétrique, est trop important pour que ceux-ci soient utilisés dans de grands réseaux vasculaires. Nous avons donc choisi d’utiliser des modèles simplifiés qui permettent d’accéder à cette dynamique de réseau si importante. Premièrement, nous nous sommes intéressés aux modèles unidimensionnels et nous avons développé de nouvelles approches permettant de prendre en compte l’aspect non-Newtonien du sang et la viscoélasticité des parois artérielles. Secondement, nous avons proposé un modèle bidimensionnel, que nous avons utilisé pour simuler l’écoulement dans des sténoses et anévrismes. Finalement, nous avons utilisé ces modèles pour décrire l’écoulement du sang dans de grands réseaux artériels et pour optimiser un pontage extracorporel. / Every cardiac cycle, the heart contracts and ejects blood into the vascular network. This periodic inflow translates into the propagation of a pulse wave, which, through interactions with the elastic arterial wall, the blood and the complex arterial network, shapes itself into the pulsatile signal clinicians observe on a daily basis. Understanding these complex wave propagation dynamics is of great clinical relevance as large arteries are a breeding ground for many common cardiovascular pathologies which are often triggered by hemodynamical factors. Unfortunately, hemodynamics in large arteries are too complex to be apprehended using only non-invasive measurements and medical imaging techniques. Patient-specific numerical simulations of blood flow have therefore been developed to provide clinicians with valuable insights on pathogenesis and the outcome of surgeries. As three-dimensional models are usually used only in small portions of the cardiovascular system due to their high modeling and computational costs, we have used reduced-order models to reproduce complex wave propagation behaviors in large networks of arteries. We have first focused on one-dimensional models for blood flow and developed novel approaches that take into account the non-Newtonian behavior of blood and the viscoelastic response of the arterial wall. Next, we have proposed a fluid-structure interaction twodimensional blood flow model to capture the complex flow patterns in stenoses and aneurysms unavailable to classical one-dimensional models. Finally, we have applied these models to compute the flow in large arterial networks and to predict the outcome of bypass surgeries.

Dans la fabrication de lentilles asphériques pour la photolithographie, l’étape delissage est critique. C’est aujourd’hui le seul procédé qui peut corriger les défauts de hautesfréquences spatiales responsables de diffusions parasites, de diminutions de transmittance etde contraste. Cette opération doit préserver la forme asphérique basse fréquence tout enlissant les défauts de hautes fréquences. Un tel comportement peut être obtenu pour des outilscombinant une couche continue flexible pour le suivi basse fréquence et une couche de poixfractionnée pour le lissage de défauts hautes fréquences. Les buts principaux de cette étudesont de prédire l’efficacité de lissage et le suivi de forme de différents outils et ensuite dedéterminer l’outil permettant le meilleur compromis. A cette fin, un modèle multi-échelles estdéveloppé. A l’échelle de l’outil entier, une étude paramétrique par éléments finis permet dedéterminer les caractéristiques de la couche flexible ainsi que la force appliquée optimale afind’obtenir l’homogénéité de la pression à l’échelle de la forme asphérique globale. A l’échelle dela couche de poix, la Méthode par Eléments Discrets est utilisée pour investiguer l’interfaceoutil-pièce. Un modèle basé sur le concept de la poutre cohésive viscoélastique est développé,prenant en compte la réponse fréquentielle de la couche de poix. La comparaison avecl’Analyse Mécanique Dynamique montre la capacité de la DEM à modéliser le comportementviscoélastique. L’opération de lissage est ensuite modélisée par DEM et analytiquement. Lesdonnées expérimentales obtenues par la méthode de la Densité Spectrale de Puissancemettent en évidence l’impact des propriétés de la poix sur l’efficacité de lissage. Lacomparaison entre les résultats numériques et expérimentaux montre que le modèle DEMdonne des résultats prometteurs pour la modélisation du lissage de défauts. / In aspherical photolithography optics manufacturing, the smoothing step iscritical. So far, it is the only process that can correct high spatial frequency defects, responsiblefor flare and transmission, contrast decrease. This operation must preserve the low frequencyaspherical shape while smoothing high frequency defects. That behavior can be obtained withtools that combine a continuous flexible layer for low frequency compliance and a fractionatepitch layer for high frequency defect polishing. The main goals of this study are predicting thesmoothing efficiency and form control of different tools, and then determining the best tool toachieve a good balance between them. To do this, a multi-scale model is developed. First, atthe whole tool scale, a finite-element parametric study yields the best characteristics for theflexible layer as well as the optimal applied force to achieve pressure homogeneity at the globalaspherical shape level. Second, at the pitch layer level, the Discrete Element Method is used toinvestigate the tool-workpiece interface. A model based on the viscoelastic cohesive beamconcept is developed, taking into account the pitch layer’s frequency response. Comparisonwith Dynamic Mechanical Analysis shows the ability of DEM to model viscoelastic behavior. Thesmoothing operation is then modeled both by DEM and analytically. Experimental data obtainedby the Power Spectral Density Method highlight the impact of pitch properties on the smoothingefficiency. Comparison between numerical and experimental data shows that the DEM modelyields promising results in defect smoothing modeling