Le Laboratoire Biométiss oeuvre dans le domaine de la mécanobiologie. Ses recherches visent à mieux comprendre l’évolution des propriétés viscoélastiques in vitro des tissus conjonctifs mous vivants sous chargement mécanique. L’outil premier de ce type de recherche in vitro se nomme bioréacteur. Il permet la mimique des sollicitations mécano-biochimiques physiologiques ou traumatiques auxquelles sont soumis les tissus in vivo ainsi que la caractérisation destructive ou non-destructive de leurs propriétés viscoélastiques. En 2007, un premier bioréacteur destiné à la stimulation et la caractérisation in vitro à long terme de tendons de queue de rat a été conçu et fabriqué par un membre de Biométiss (Huppé, 2007). L’expérience acquise avec celui-ci a permis d’acquérir une meilleure définition des besoins du laboratoire. Elle a aussi permis d’identifier certaines limitations principalement associées à la convivialité ainsi qu’à la qualité de mesure et de contrôle de ce premier bioréacteur. Il a alors été convenu que la conception d’un nouveau bioréacteur était nécessaire et préférable à la modification du premier bioréacteur. C’est ainsi qu’a pris naissance le projet de maîtrise portant sur la conception d'un bioréacteur de haute performance permettant la stimulation et la caractérisation mécanique à long terme des tendons de queue de rat. L’approche de conception inspirée des machines de haute précision et adoptée pour concevoir le bioréacteur a permis d’avoir un regard nouveau sur le bioréacteur et mettre en oeuvre plusieurs innovations importantes. Les concepts novateurs de servo-actionneur personnalisé, d’isolation vibratoire à deux niveaux ou de labyrinthe mobile, pour n’en nommer que quelques-uns, ont permis d’atteindre de hautes performances. Les fruits de ces innovations sont entre autres : - L’amélioration de la qualité de mesure et de contrôle résultant de la stimulation et de la caractérisation mécanique; - L’optimisation de la convivialité d’utilisation; - La minimisation du facteur humain sur les résultats. Finalement, l’article intitulé A Roadmap for the Design of Bioreactors in Mechanobiological Research and Engineering of Load-Bearing Tissues par Viens et al. (2011) a été rédigé à partir de l’expérience de conception vécue dans le cadre du présent projet. Il propose une approche structurée, basée sur l’analyse du cycle d’utilisation du bioréacteur et de la routine de stimulation et de caractérisation mécanique, permettant d’élaborer un cahier des charges fonctionnelles complet et exact. Il est espéré que cet article permettra de guider le chercheur à travers cette étape décisive et ardue du processus de conception d’un bioréacteur.

Le fascia est un tissu conjonctif mou présent à plusieurs endroits dans le corps. Selon la littérature, le fascia pourrait jouer un rôle biomécanique au sein du système musculo-squelettique. On croit donc que la dégradation ou des lésions des fascias pourraient être la cause de certains troubles musculo-squelettiques. Il importe donc d'étudier la mécanobiologie de ce tissu in vivo, c'est-à-dire son évolution dans le temps en réponse aux stimuli mécaniques auxquels il est soumis. Pour ce faire, il est nécessaire de trouver un modèle biologique compatible à notre étude. Par le présent projet, on désire procéder à l'examen de la queue de rat comme modèle expérimental pour l'étude mécanobiologique du fascia in vivo. La queue de rat sera considérée comme un modèle expérimental valide si : (1) on démontre théoriquement et/ou expérimentalement qu'il contribue à la biomécanique de la queue; (2) il est possible d'influencer son évolution temporelle par l'application de chargements spécifiques; et (3) on peut identifier ou développer une technique d'analyse permettant d'évaluer cette évolution. L'investigation des deux premiers points a nécessité la modélisation mécanique de la queue de rat à l'aide du logiciel Adams/View. Afin de modéliser et paramétrer judicieusement les composantes de la queue de rat, on a donc : étudié exhaustivement l'anatomie de la queue de rat par la revue littéraire, la dissection et différentes techniques d'imagerie; effectué une revue littéraire sur les dernières avancées scientifiques sur le fascia de même que sur les propriétés mécaniques des différentes structures anatomiques (tissus) de la queue; programmé un traitement d'images pour évaluer l'aire transversale et le bras de levier des structures complexes; développé une méthodologie de tests pour la caractérisation des propriétés mécaniques de la peau et du fascia de la queue de rat. Deux points sur trois ont été validés au cours de ce projet. Le modèle de queue de rat a permis de valider qu'il serait possible de modifier les stimuli mécaniques auxquels le fascia est soumis par blocage et/ou déformation d'une articulation par un appareillage de type Ilizarov. De plus, l'élaboration des tests de traction sur le fascia a permis de confirmer la possibilité d'évaluer l'évolution du fascia en fonction des stimuli mécaniques auxquels il est imposé. En conclusion, le modèle ne démontre pas la contribution du fascia à la biomécanique de la queue puisqu'il ne modélisait que son apport en rigidité longitudinale. Par contre, la modélisation a apporté d'autres hypothèses à propos du rôle joué par le fascia. Un nouveau modèle testant son rôle en cisaillement et en rigidité radiale devra être créé. On conserve donc l'hypothèse que la queue de rat constitue un bon modèle pour l'étude mécanobiologique du fascia in vivo.

Ce mémoire, scindé tout au long de ses chapitres entre deux projets distincts de caractérisation de matériaux, présente les aspects expérimentaux d'une étude sur les joints d'aluminium collés d'une part et les matériaux composites à fibres courtes orientées aléatoirement d'autre part.Ce travail s'est effectué au sein d'une entreprise ; ceci explique l'importance accordée à une approche industrielle des sujets de recherche. La revue de littérature sur ces secteurs innovants a permis d'influencer les choix techniques et d'orienter les étapes pratiques. Les propriétés de base, notamment en termes de rigidité et de résistance, ont été caractérisées à l'aide de tests mécaniques normalisés. D'autres mesures ont aussi été faites par des méthodes plus variées comme la microscopie, les ultrasons, l'analyse thermomécanique. Finalement, les résultats ont permis de mieux connaître ces matériaux et les technologies associées (pour le collage notamment) et de procurer des données expérimentales fiables et concrètes en vue d'une optimisation des structures faisant appel à ces techniques. Dans le cas du collage, l'importance du traitement de surface a été prouvée, et plusieurs paramètres intervenant dans ce procédé d'assemblage ont pu être étudiés (température, épaisseur du joint, géométrie). La résistance importante du collage a aussi été démontrée, tant en statique (21 MPa) qu'en limite d'endurance. Pour l'étude des composites, les points faibles d'une coque de bateau ont pu être identifiés et une classification des propriétés dans la structure proposée (trois zones de résistances comprises entre 21 et 36 MPa). L'impact de la densité de la résine et de la quantité de fibres, de même que l'influence de l'orientation des fibres ont été abordés dans ce problème. Enfin, une étude en flexion a permis de chiffrer un écart de 35,4 % entre la déformation relevée à la fissure du revêtement gel-coat, en surface donc uniquement esthétique, et celle du composite lors de son bris structural.

Ce projet de maîtrise s'inscrit dans le cadre d'un projet CRIAQ en collaboration avec l’École Polytechnique et quatre partenaires industriels (Bell Helicopters, Bombardier Aerospace, Pratt & Whitney Canada et Artec technologies). Le projet a pour but de développer une nouvelle technologie qui intègre, dès la phase de conception, des éléments amortissants SPADD (Smart Passive Damping Device) dans les structures sandwich-NIDA (une structure en forme de nids d'abeilles). L’objectif est la réduction de la transmission solidienne des vibrations mécaniques ainsi que la diminution de la transmission acoustique du bruit. Les travaux de recherche présentés dans cette maîtrise portent sur le développement d’une approche simple et robuste pour la caractérisation expérimentale de la réponse vibroacoustique des structures sandwich-NIDA avec amortissement SPADD intégré, lorsqu’elles sont soumises à diverses sollicitations. Cette étude, largement guidée par l’expérimentation, a nécessité la conception et la réalisation de nombreux bancs d’essai afin de comprendre et de mesurer les divers phénomènes pour caractériser ces nouvelles structures sandwich-NIDA avec amortissement intégré. L’étude expérimentale a permis de mettre en évidence un gain de 2 à 4 dB au niveau vibratoire et de 1.5 dB au niveau acoustique pour les panneaux NIDA avec amortissement intégré. Enfin, les bancs d’essai proposés ont permis de caractériser les structures sandwich (NIDA) avec amortissement intégré.

Les matériaux polymères renforcés de fibres (PRF) sont de plus en plus utilisés dans les ouvrages du génie civil à cause de leurs nombreux avantages par rapport à l'acier d'armature. Toutefois, certaines conditions d'application peuvent potentiellement affecter leur durabilité, rendant cruciales les études exhaustives de leur durabilité à long terme pour permettre leur plein développement. Plusieurs agresseurs de l'environnement d'application des barres de PRF peuvent potentiellement altérer les propriétés de ces dernières à court ou à long terme. Plusieurs études portant sur l'effet de l'alcalinité du béton et de l'humidité ont déjà été menées dans le passé en utilisant des vieillissements accélérés en laboratoire par immersion en solution alcaline simulant le pH du béton. Ces études doivent obligatoirement faire intervenir un facteur accélérant comme la température permettant de les effectuer dans des délais raisonnables. L'usage de paramètres de conditionnement trop sévères peut amplifier de manière non représentative la réduction des propriétés et la diffusion de l'humidité et mener à une sous-estimation de la durabilité des composites de PRF impliquant même une conception trop conservatrice des ouvrages contenant ces nouveaux matériaux. La présente thèse présente l'étude de la durabilité à long terme de barres PRF soumis à des vieillissements accélérés en laboratoire simulant mieux la réalité comparativement aux vieillissements traditionnellement utilisés. En particulier, il sera question d'évaluer la durabilité des barres de PRF et de l'interface entre le béton et les barres en termes de perte de propriétés physiques et mécaniques et d'effets microstructuraux suite à des vieillissements en laboratoire. Il sera aussi question d'identifier les principaux phénomènes de dégradation pouvant affecter les composites de PRF lors de leur utilisation comme renforcement interne du béton et de confirmer la pertinence des paramètres de vieillissements accélérés en laboratoire utilisés pour prédire le comportement à long-terme des composites de PRF. Finalement, les effets des températures extrêmes d'application et de la fissuration due à un impact sur la durabilité des barres seront d'intérêt.Les résultats de cette thèse démontrent clairement que les barres de PRFV testées ne sont que très peu affectées par l'environnement du béton et que les résultats obtenus par des vieillissements traditionnels en solution alcaline mènent à des résultats conservateurs et à une sous-estimation des propriétés à long terme des barres de PRF.

Cette thèse de doctorat s'inscrit dans le cadre de projets CRIAQ (Consortium de recherche et d'innovation en aérospatiale du Québec) orientés vers le développement d'approches embarquées pour la détection de défauts dans des structures aéronautiques. L'originalité de cette thèse repose sur le développement et la validation d'une nouvelle méthode de détection, quantification et localisation d'une entaille dans une structure de joint à recouvrement par la propagation d'ondes vibratoires. La première partie expose l'état des connaissances sur l'identification d'un défaut dans le contexte du Structural Health Monitoring (SHM), ainsi que la modélisation de joint à recouvrements. Le chapitre 3 développe le modèle de propagation d'onde d'un joint à recouvrement endommagé par une entaille pour une onde de flexion dans la plage des moyennes fréquences (10-50 kHz). À cette fin, un modèle de transmission de ligne (TLM) est réalisé pour représenter un joint unidimensionnel (1D). Ce modèle 1D est ensuite adapté à un joint bi-dimensionnel (2D) en faisant l'hypothèse d'un front d'onde plan incident et perpendiculaire au joint. Une méthode d'identification paramétrique est ensuite développée pour permettre à la fois la calibration du modèle du joint à recouvrement sain, la détection puis la caractérisation de l'entaille située sur le joint.Cette méthode est couplée à un algorithme qui permet une recherche exhaustive de tout l'espace paramétrique.Cette technique permet d'extraire une zone d'incertitude reliée aux paramètres du modèle optimal. Une étude de sensibilité est également réalisée sur l'identification. Plusieurs résultats de mesure sur des joints à recouvrements 1D et 2D sont réalisées permettant ainsi l'étude de la répétabilité des résultats et la variabilité de différents cas d'endommagement. Les résultats de cette étude démontrent d'abord que la méthode de détection proposée est très efficace et permet de suivre la progression d'endommagement. De très bons résultats de quantification et de localisation d'entailles ont été obtenus dans les divers joints testés (1D et 2D). Il est prévu que l'utilisation d'ondes de Lamb permettraient d'étendre la plage de validité de la méthode pour de plus petits dommages. Ces travaux visent d'abord la surveillance in-situ des structures de joint à recouvrements, mais d'autres types de défauts. (comme les disbond) et. de structures complexes sont également envisageables.

En Amérique du Nord, le cancer de l’ovaire est parmi les cancers gynécologiques les plus mortels. Seulement au Canada, en 2004, on estime que le taux de mortalité causé par ce type de cancer est de 66%. Plusieurs équipes de recherche partout à travers le monde mettent beaucoup d’efforts afin de comprendre la physiopathologie de cette maladie. Cependant, un des obstacles majeurs à l’avancement des connaissances dans ce domaine est le nombre restreint de bons modèles cellulaires et animaux. Afin de pouvoir fournir de nouveaux modèles de cellules cancéreuses au monde de la recherche, deux nouvelles lignées cellulaires de cancer ovarien (OVC-116-A et COV-2) ont été établies et caractérisées. Celles-ci ont été caractérisées au niveau de leurs paramètres de croissance (courbe de croissance, clonogénécité, croissance en sphéroïde) et ces analyses ont montré que les deux modèles cellulaires se comportent de façon sensiblement similaire en culture. De plus, le statut de plusieurs marqueurs cellulaires tels les récepteurs de la famille EGFR, les cadhérines classiques ainsi que des récepteurs hormonaux a été évalué pour chaque lignée cellulaire. La tumorigénicité in vivo a aussi été étudiée par des injections sous-cutanées de cellules cancéreuses dans des souris SCID et des souris NUDE et par des injections intrapéritonéales dans des souris SCID. Les deux nouvelles lignées cellulaires croissent dans les animaux. De façon spécifique, la lignée OVC-116-A a montré une croissance très rapide in vivo (environ 14 jours sous-cutanés pour former une tumeur de 1 centimètre de diamètre et 28 jours intrapéritonéal) alors que la lignée COV-2 a montré le phénotype contraire, soit une croissance lente in vivo, lorsqu’injectée dans les animaux. D’autres analyses moléculaires comme des analyses de mutations des gènes TP53, BRCA1, BRCA2 et KRAS ainsi que des caryotypes ont été faits sur chacune des lignées. La lignée OVC-116-A présente une mutation dans l’exon 7 du gène TP53 et une mutation dans le codon 13 du gène de KRAS. Cette lignée cellulaire présente aussi un caryotype simple caractérisé principalement par une trisomie 10 et une translocation entre le chromosome 6 et le chromosome 15. La lignée cellulaire COV-2, quant à elle, montre aussi une mutation dans l’exon 8 du gène TP53 mais aucune mutation dans le gène KRAS. Le caryotype de cette lignée est de type complexe présentant plusieurs trisomies, des tétrasomies et des translocations multiples sur des chromosomes. Finalement, la sensibilité des nouvelles lignées cellulaires aux agents chimiothérapeutiques les plus utilisés durant traitement du cancer ovarien (Cisplatin et Taxol) a été évaluée. Suite à ces résultats, la lignée COV-2 semble être un bon modèle pour étudier la chimiorésistance, car cette lignée semble être résistante à ces drogues. Des études de la viabilité en sphéroïde et à la résistance à l’anoïkose ont démontré que la lignée OVC-116-A est un bon modèle de résistance à l’anoïkose. Par des essais qualitatifs, il a été montré que lorsque cette lignée cellulaire croît en sphéroïde, elle ne montre que très peu de signes de mortalité cellulaire. De plus, par des essais semi-quantitatifs, il a été suggéré que OVC-116-A a la capacité de pouvoir proliférer lorsque celle-ci est maintenue en suspension. Aussi, par une technique quantitative comme un ELISA de type sandwich, il a été possible de montré aucune induction de l’anoïkose que lorsque OVC-116-A croît en sphéroïde. Des immunobuvardages de type Western ont confirmé ces résultats en observant que la pro-caspase 9 et la pro-caspase 3 n’étaient pas activées et que la protéine PARP, substrat de la caspase 3 n’était pas clivée. De plus, les résultats ont montré une surexpression de la protéine Bcl-2 dans les sphéroïdes OVC- 116-A. Cette constatation a permis d’émettre l’hypothèse que la protéine Bcl-2 pourrait jouer un rôle déterminant dans la survie en suspension des cellules de cancer ovarien. Nos résultats suggèrent donc que les nouvelles lignées cellulaires OVC-116-A et COV-2 représentent de bons modèles cellulaires pour étudier la résistance à l’anoïkose des cellules de cancer ovarien et la résistance aux drogues chimiothérapeutiques.

L'énergie solaire est une source d'énergie renouvelable et naturellement disponible partout sur terre. Elle est donc tout indiquée pour remplacer à long terme une part importante des combustibles fossiles dans le portrait énergétique mondial. Comme toutes les formes d'énergie utilisées par la société, l'énergie solaire n'échappe pas aux lois économiques et son adoption dépend directement du coût par unité d'énergie produite. Plusieurs recherches et développements technologiques cherchent à réduire ce coût par différents moyens. Une de ces pistes est l'intégration de deux technologies solaires, la technologie photovoltaïque et la technologie thermique, au sein d'un même système. La conception d'un tel système pose plusieurs défis technologiques, le plus important étant sans contredit la compétition entre la quantité d'électricité produite et la qualité de la chaleur. En effet, ces deux variables varient de manière opposée par rapport à la température~: le rendement des cellules photovoltaïques a tendance à diminuer à haute température alors que la valeur utile de l'énergie thermique tend à augmenter. Une conception judicieuse d'un système photovoltaïque/thermique (PV/T) devra donc prendre en compte et connaître précisément le comportement d'une cellule à haute température. Le présent projet propose de concevoir un système permettant la caractérisation de cellules photovoltaïques sur une large plage de température. Premièrement, une revue de littérature pose les bases nécessaires à la compréhension des phénomènes à l'origine de la variation de la performance en fonction de la température. On expose également différents concepts de système PV/T et leur fonctionnement, renforçant ainsi la raison d'être du projet. Deuxièmement, une modélisation théorique d'une cellule photovoltaïque permet de définir grossièrement le comportement attendu à haute température et d'étudier l'importance relative de la variation du courant photogénéré et de la tension en circuit ouvert. Ce modèle sera plus tard comparé à des résultats expérimentaux. Troisièmement, un banc d'essais est conçu et fabriqué d'après une liste de critères et de besoins. Ce banc permet d'illuminer une cellule, de faire varier sa température de -20 °C à 200 °C et de mesurer la courbe I-V associée. Le système est partiellement contrôlé par un PC et la température est asservie par un contrôleur de type PID. Le banc a été conçu de manière à ce que la source de lumière soit aisément échangeable si un spectre différent est désiré. Finalement, le comportement du montage est validé en caractérisant une cellule au silicium et une autre à base de InGaP. Les résultats sont comparés aux prédictions du modèle et aux données de la littérature. Une étude d'incertitude permet également de cibler la source principale de bruit dans le système et propose des pistes d'améliorations à ce propos.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

L'imagerie ultrasonore haute résolution est aujourd'hui indispensable à l'établissement de nombreux diagnostics médicaux. Elle est basée sur l'utilisation de transducteurs piézoélectriques haute fréquence (HF) qui sont fabriqués à l'aide de matériaux et de techniques adaptés. L'optimisation de leurs performances nécessite en général l'utilisation de plusieurs modèles numériques pour simuler à la fois la vibration du résonateur et son rayonnement. Ce travail de thèse présente un nouvel algorithme basé sur un couplage pseudospectral / différences-finies, permettant de modéliser la génération et la propagation des ondes acoustiques dans un transducteur et son environnement avec un seul modèle. Cet algorithme hybride a été utilisé pour simuler le fonctionnement de différents transducteurs fabriqués au cours de cette thèse. Les résultats ont été validés de façons théorique et expérimentale, et ils ont permis d'étudier les influences de différents paramètres sur les performances des transducteurs fabriqués / High resolution ultrasonic imaging has become an essential tool to assist physicians for various medical diagnoses. This technique relies on the ability of piezoelectric transducers to generate a high frequency (HF) acoustic field into the scanned media. Such transducers are obtained using particular materials and fabrication processes.They are optimized through modeling of their electromechanical behaviour and acoustic radiation pattern, which usually requires the use of several models. A new algorithm has been developped and is presented in this report, which is based on the coupling of pseudospectral and finite-diffrence methods to simulate both the generation and the propagation of acoustic waves in the transducer and the surrounding media, using a single model. This hybrid algorithm has been used to simulate various transducers and the results were accordingly compared to theory and experiments. It has also been used to study the influence of various parameters on the performance of several single-element and array transducer devices.