This study provides an overview of the implementation of a nonlinear microstructural constitutive model in ABAQUS employing a user subroutine at the level of the biomedical engineer. Two different element formulations are employed: a continuum incompressible and a plane stress incompressible. All examples are validated by performing a number of deformations on 2D and 3D square elements and comparing the analytical formulation in a programming language and the user subroutine in ABAQUS. Application models will be presented that provide a deeper look into the impacts of soft tissue deformation, damage, and fracture. Additionally, we investigate the mechanical behavior of skin layers in terms of the nominal stress-strain curve using uniaxial and cyclic loading tests on porcine skin specimens in two forms: dermis integrating epidermis and hypodermis. Experiments were performed on specimens from the belly and breast of the pigs and under both orthogonal orientations with respect to the spine direction. All tests were carried out at room temperature with cyclic loading at a constant strain rate and increasing stretch increments. Finally, data is fitted using microstructural constitutive model.

<p dir="ltr">Subcutaneous injection for self-administration of biotherapeutics, such as monoclonal antibodies (mAbs), is becoming increasingly prominent within the pharmaceutical sector due to its benefits in patient compliance and cost-effectiveness. The success of this drug delivery process depends on the coupled mechanical and transport phenomena within the subcutaneous tissue, both during and after the injection. Yet, the details of these processes are not well-elucidated, sparking a surge in computational efforts to fill this knowledge gap. Remarkably, there are very few computational studies on subcutaneous injection into three-dimensional porous media that account for large tissue deformations, drug transport and absorption, the use medical devices, and human factors. Here, we develop a high-fidelity computational framework to study large-volume subcutaneous injection of mAbs. Our investigation begins with a linear poroelastic model without drug transport, which we employ to study the effect of tissue deformation on injection dynamics. We progressively enhance this model, advancing to a nonlinear porohyperelastic framework that include drug transport and absorption. To capture the anisotropy of subcutaneous tissue, we employ a fibril-reinforced porohyperelastic model. Furthermore, we integrate the multi-layered structure of skin tissue by creating data-driven geometrical models of the tissue layers derived from histological data. Our analysis explores the impact of different handheld autoinjectors on the injection dynamics for various patient-applied forces. We investigate the effect of different pre-injection techniques, such as the pinch and stretch methods, on the drug transport and absorption. Additionally, we evaluate the impact of several physiological variables, including flow rate, injection depth, and body mass index. Our simulations yield crucial insights essential for comprehending and improving subcutaneous drug administration of mAbs. Additionally, they offer a deeper understanding of the human aspect of the injection procedure, thereby paving the way for advancements in the development of patient-centered injection devices and techniques.</p>

L’interaction d’une impulsion laser, courte (~ 10 - 100 fs) et ultra-intense (> 10^18 W/cm²), avec un plasma sous-dense (< 10^19 cm^-3) peut accélérer, de manière compacte, une fraction des électrons du plasma jusqu’à des énergies relativistes (~ 100 - 300MeV). Ce phénomène, nommé accélération plasma par sillage laser (APSL), pourrait avoir de nombreuses applications telles que le futur collisionneur d’électrons a ultra-hautes énergies. Cependant, cela requiert au préalable des développements supplémentaires afin que l’APSL produise des paquets d’électrons stables et reproductibles avec une excellente qualité, c’est-à-dire de faibles émittances longitudinale et transverses.Au cours de cette thèse, une étude expérimentale de la stabilité et de la reproductibilité des paquets d’électrons auto-injectes a été réalisée dans des tubes capillaires diélectriques, de longueur 8-20mm et de rayon interne 76-89 µm, contenant du H2 pur a une densité électronique de (10 +/- 1, 5)x10^18 cm^-3. Des paquets d’électrons auto-injectes ont été produits, a une cadence de deux tirs par minute, avec une charge accélérée au-delà de 40 MeV de (66+/-7) pC, une énergie moyenne de (65+/-6) MeV, une divergence de (9+/-1) mrad et une fluctuation de pointe de 2,3 mrad. Trois sources de fluctuations et de dérives des propriétés des paquets d’électrons ont été discutées : dérive d’énergie laser, modification du gradient montant de densité électronique et fluctuations du pointé laser. Des contraintes sur le régime de fonctionnement ont été proposées afin d’améliorer la stabilité et la reproductibilité de la source laser-plasma d’électrons.Un mécanisme alternatif d’injection d’électrons dans l’onde de plasma a également été examiné : l’injection induite par ionisation. Une étude expérimentale a montré que les paquets d’électrons accélérés dans un mélange de 99%H2 + 1%N2 ont une charge deux fois plus importante qu’en présence de H2 pur. De plus, une injection plus précoce a été observée pour le mélange de 99%H2 + 1%N2, indiquant que les premiers électrons sont captures selon le mécanisme d’injection induite par ionisation. Une étude complémentaire, utilisant des simulations Particle-In-Cell avec le code WARP, confirment les résultats expérimentaux et suggèrent que l’auto-injection est supprimée par l’injection induite par ionisation. / The interaction of a short (~ 10 - 100 fs) and ultra-intense (> 10^18 W/cm²) laser pulse with an underdense (< 10^19 cm^-3) plasma can accelerate, in a compact way, a fraction of the electrons of the plasma toward relativistic energies (~ 100 - 300MeV). This mechanism, called laser wakefield acceleration (LWFA), might have various applications such as the future ultra-high energy electron collider. Prior to this, additional investigations are needed to ensure, through LWFA, a stable and reproducible generation of electron bunches of high quality, i.e. low transverse and longitudinal emittances.In this thesis, the stability and the reproducibility of the electron self-injection were experimentally investigated in 8-20mm long, dielectric capillary tubes, with an internal radius of 76-89 µm, and filled with pure H2 at an electronic density of de (10 +/- 1.5)x10^18 cm^-3. Electron bunches were produced, at a rate of two shots per minute, with an accelerated charge above 40 MeV of (66+/-7) pC, a mean energy of (65+/-6) MeV, a divergence of (9+/-1) mrad, and a pointing fluctuation of 2.3 mrad. Three sources were identified for the fluctuations and drifts of the electron bunch properties: laser energy drift, change of the electron number density upramp, and laser pointing fluctuations. Restrictions on the operating regime were proposed in order to improve the stability and the reproducibility of the laser-plasma electron source.An alternative mechanism of electron injection into the plasma wave was also investigated: the ionization-induced injection. An experimental study demonstrated that electron bunches generated in a mixture of 99%H2 + 1%N2 have twice more accelerated charge than in the case of pure H2. Moreover, the earlier onset of electron injection was observed for the mixture 99%H2 + 1%N2, indicating that the first electrons were trapped under the mechanism of ionization-induced injection. Particle-In-Cell simulations performed with the code WARP confirm the experimental results and suggest that the self-injection was inhibited by the ionization-induced injection.

Ce mémoire de HDR résume les dix dernières années de recherche effectuée au Laboratoire d'Optique Appliquée sur l'accélération d'électrons par interaction laser-plasma. Les résultats principaux sont l'obtention d'une source d'électrons relativiste (100-300 MeV), mono-énergétique, ultracourte (quelques fs), compacte (quelques millimètres), stable et réglable. Le manuscrit décrit les étapes qui ont permis d'élucider la physique en jeu puis de la maîtriser, ce qui a finalement abouti à la génération de cette nouvelle source. Les aspects de propagation non linéaire de l'impulsion laser dans un plasma sous-dense sont tout d'abord traités: la création d'onde de sillage linéaire et non linéaire, l'auto-focalisation relativiste et pondéromotrice d'impulsions courtes et intenses, l'auto-compression dans les ondes plasmas. Puis l'accélération et l'injection des électrons dans les ondes de sillage est rappelée d'un point de vue théorique. La démonstration expérimentale de l'injection des électrons dans le régime de la bulle et/ou par collision de deux impulsions laser est ensuite développée. Ces expériences ont été parmi les premières à permettre l'obtention de faisceaux mono-énergétiques de bonne qualité dans un premier temps, et stable et réglable dans un deuxième temps. Les deux derniers chapitres sont consacrés aux diagnostics du faisceau d'électrons par rayonnement de transition puis aux applications en radiographie gamma et radiothérapie. Finalement les perspectives de cette recherche sont présentées en conclusion. En particulier, on s'est intéressé aux paramètres atteignables sur les lasers petawatt en cours de construction.