Cette thèse a pour objectif de développer une méthode de bioimpression 3D de tissus vivants. Ce nouveau champ disciplinaire a pour but la fabrication de tissus grâce à une bioimprimante en s’appuyant sur les principes fondamentaux de l’ingénierie tissulaire. Pour mener à bien ces travaux, une bio-encre spécifique a été formulée à l’aide de biomatériaux naturels afin de répondre aux critères de biocompatibilité, de maintien de la viabilité cellulaire et de support pour la formation d’un réseau cellulaire en trois dimensions. Plusieurs caractérisations ont ainsi pu être réalisées afin de démontrer l’innocuité du procédé de bioimpression 3D sur les cellules utilisées.L’évolution technologique de la bioimprimante utilisée est ensuite présentée en partant d’une technologie open-source pour arriver à l’utilisation d’un bras robotique 6 axes. L’exigence du cahier des charges de cette bioimprimante a évolué au fil des différents prototypes utilisés.La dernière partie de ce travail de thèse présente les résultats de bioimpression de tissus obtenus grâce à de multiples collaborations. Plusieurs tissus seront étudiés et caractérisés : le derme et sa maturation vers une peau totale, le cartilage et la bioimpression de cellules souches mésenchymateuses, un tissu microvascularisé grâce à l’incorporation de cellules endothéliales et pour finir un tissu perfusable en utilisant une approche de culture dynamique en bioréacteur / This thesis focus on the development of a 3D bioprinting process for living tissue. This new field of research, 3D bioprinting, aims to fabricate tissues using a bioprinter based on the tissue engineering fundamentals.To carry out this work, a specific bioink was formulated using natural biomaterials to meet the requirement of biocompatibility, cell viability and support of a three-dimensional cellular network. Several characterizations have been used to demonstrate the cells viability during the 3D bioprinting process.The bioprinter technological evolution is then presented, starting from an open-source technology and ending with the use of a 6-axis robotic arm. The specifications of this bioprinter evolved through different prototypes.The last part of this thesis concerns tissue bioprinting results obtained through multiple collaborations. Several tissues will be studied and characterized: the dermis and its maturation towards a total skin, the cartilage and the mesenchymal stem cells bioprinting, a microvascularized tissue thanks to the incorporation of endothelial cells and finally a perfusable tissue by using a dynamic culture approach in bioreactor

L'objectif de ce travail de recherche est d'évaluer la capacité des spectroscopies optiques d'autofluorescence et de réflectance diffuse à caractériser les différents stades de la transformation néoplasique de la peau et ainsi d'aider au diagnostic des deux lésions de peau les plus létales : le mélanome malin et le carcinome épidermoïde. Dans l'étude portant sur le mélanome, un objet-test (« fantôme ») a été développé pour modéliser différentes épaisseurs de mélanome (indice de Breslow). La spectroscopie de réflectance diffuse résolue spatialement (grâce à l'utilisation de cinq fibres optiques réceptrices situées à cinq distances différentes de la fibre optique excitatrice) a montré sa capacité à discriminer (p<0,05) des indices de Breslow simulés grâce à des fantômes d'épaisseur variant par pas d'1 mm. D'autre part, des mesures de spectroscopie bimodale (combinant autofluorescence en multi-excitation et réflectance diffuse) ont été réalisées sur peau murine tout au long des sept mois de photocarcinogenèse. Des prélèvements cutanés ont permis d'établir trois classes histologiques (en plus de la classe saine du groupe contrôle) : hyperplasie compensatoire, hyperplasie atypique et dysplasie. Puis la précision diagnostique a été évaluée par analyse statistique multivariée. Nos principaux résultats montrent que la bimodalité associant autofluorescence (excitation à 410 nm) et réflectance diffuse permet une amélioration de la spécificité de 9 points de pourcentage comparées aux performances de chacune des modalités utilisée seule lors de la discrimination des trois types d'hyperplasie. Des études cliniques doivent maintenant confirmer l'intérêt de ces résultats.

Au Brésil les déclarations de couleurs de peau sont influencées par les caractéristiques socioéconomiques des personnes. Pour appréhender ce phénomène, nous avons réalisé une enquête de terrain de neuf mois (2006-2007) dans deux entreprises de la ville de São Paulo. En liant économie et sociologie, nous identifions les motivations et mécanismes à l'oeuvre lors d'une déclaration de couleur de peau, en appréhendant la mosaïque brésilienne des couleurs de peau dans sa globalité. Nous soulignons la fluidité de la définition des catégories et des processus de catégorisation. La cor [couleur] devient un concept en soi et nous décrivons une relation de dépendance chromatique. Nous explicitons des éléments entourant les déclarations et relevant de l'implicite, puis nous modélisons la construction de ces déclarations en termes de mobilité chromatique. Nous soulignons que la stabilité des déclarations selon différentes classifications masque une modification de la définition des catégories de couleurs de peau à travers un changement dans la distribution effective des variables socio-économiques au niveau individuel. Puis nous examinons la possibilité de disposer d'une équation de calcul racial afin d'instrumenter la variable " couleur de peau " dans les applications économétriques pour lesquelles un problème d'endogénéité se pose. Enfin nous questionnons l'objet appréhendé à travers les mesures d'inégalités et de discriminations car l'interaction entre les choix rationnels (les déclarations) et le langage (support des déclarations) souligne leur dimension de représentations plutôt que d'une description basée sur la matérialité physique des individus.

Grâce aux innovations technologiques récentes, l'exploration cutanée est devenue de plus en plus facile et précise. Le relevé topographique de la surface de peau par projection de franges ainsi que l'exploration des structures intradermiques par microscopie confocale in-vivo en sont des exemples parfaits. La mise en place de ces techniques et les développements sont présentés dans cette thèse. L'apport de l'imagerie est évident tant pour le traitement des acquisitions de ces appareils que pour l'évaluation de paramètres cutanés à partir de photographie par exemple. L'extension du modèle LIP niveaux de gris à la couleur a été réalisée pour apporter une évaluation proche de celle d'un expert grâce aux fondements logarithmiques du modèle, proches de la vision humaine. Enfin, la classification de données dans une image, sujet omniprésent dans le traitement d'images, a été abordée par les classifications hiérarchiques ascendantes, utilisant un cadre mathématique rigoureux grâce aux métriques ultramétriques.

La perspective de la production décentralisée nécessite de revenir à la modélisation fine des dispositifs électriques constituant le réseau, aux multiples principes de fonctionnement (moteur ou générateur, machines tournantes ou statiques, ...etc) et gammes de puissance. En effet, cet accroissement considérable de la taille des réseaux ne peut se faire au détriment de la sécurité des personnes et de la fiabilité des installations, La machine électrique n'est plus isolée et fait désormais partie intégrante du réseau électrique. C'est sur elle que portera principalement notre étude. La présence de nombreux harmoniques sur le réseau incite à disposer de modèles fréquentiels plus fins et valables sur une plus grande plage de fréquences. En outre, l'étude des réseaux sera facilitée si la matrice d'état du système est de taille raisonnable, autrement dit si le modèle comporte le plus petit nombre de paramètres possible. L'objectif premier de ce travail présenté dans ce mémoire est d'améliorer les modèles classiques des machines, en tenant compte de phénomènes physiques liés à la variation de fréquence, comme l'effet de peau. Ceci impose de partir des équations de Maxwell, décrivant tout phénomène d'induction et de remonter au schéma équivalent de la machine. Cette amélioration des modèles repose sur l'utilisation d'un outil mathématique récemment appliqué à d'autres domaines scientifiques : la dérivation non entière.

Depuis plusieurs années, les nanosciences promettent des progrès remarquables dans de nombreux domaines, mais soulèvent aussi de nombreuses inquiétudes en regard de leur impact sur la santé humaine (expositions environnementales, industrielles, médicales). Il se pose, entre autres, la question de la détection, de la quantification et du devenir d'oxydes métalliques et de nanoparticules manufacturées au sein de tissus, et plus particulièrement de la peau. Il est donc essentiel de préciser les mécanismes impliqués dans ces processus de fonction barrière cutanée et de les caractériser dans des modèles biologiques in vitro/in vivo. Ainsi, au cours de ma thèse, il m'a été donné l'occasion de mettre en œuvre des méthodes d'analyses quantitatives en association avec des techniques d'imagerie très résolutives (microscopies confocale et électronique et analyse par microfaisceau d'ions) afin de caractériser : (i) la fonction barrière d'un modèle de peau d'oreille de porc maintenu en survie en définissant le comportement de l'homéostasie ionique en réponse à différents stress chimiques ou physiques (Collaboration Hélène Duplan, Institut de Recherche Pierre Fabre); (ii) l'impact sur la viabilité, l'accumulation et la distribution intracellulaire de nanoparticules (oxydes de titane) natives ou fonctionnalisées à l'aide d'agents fluorescents (FITC, Rhodamine) (Collaboration M.H. Delville, Institut de Chimie de la Matière Condensée de Bordeaux). Les résultats obtenus montrent la possibilité de définir (i) le rôle des ions dans la fonction barrière cutanée d'un modèle biologique maintenu en survie et exposé à différents stress, (ii) la toxicologie des nanoparticules manufacturées in vivo; (iii) leur devenir au sein de modèle biologique d'intérêt (kératinocytes).

Les décharges capacitives basse pression sont couramment utilisées dans l'industrie des écrans plats pour le dépôt de couches minces sur des substrats de plus en plus grande surface. L'augmentation de la fréquence d'excitation (typiquement de 13.56 MHz à 200 MHz) produit des sources denses avec des ions peu énergétiques conduisant à l'augmentation de la vitesse des procédés. Cependant, les modèles théoriques prévoient de fortes non-uniformités du dépôt de puissance dans la décharge lorsque la longueur d'onde d'excitation est comparable à la taille du réacteur. Nous avons réalisé des mesures d'uniformité du flux d'ions et de l'énergie des ions dans une décharge capacitive carrée grande surface excitée de 13.56 MHz à 81.36 MHz dans l'argon jusqu'à 200 mTorr. A haute fréquence, le flux d'ions est fortement non uniforme à cause de l'effet d'onde stationnaire. L'énergie des ions est uniforme dans les mêmes conditions. L'influence de la pression et du mélange de gaz est aussi investiguée.

Ce travail est consacré à l'étude d'un problème de transmission d'ondes électromagnétiques dans des matériaux fortement conducteurs entourés d'un matériau diélectrique isolant. On analyse finement le phénomène de l'effet de peau à l'aide de l'analyse asymptotique et de la simulation numérique. On calcule un développement asymptotique multi-échelle à haute conductivité des solutions des équations de Maxwell tridimensionnelles en régime harmonique. Pour valider ce développement, on établit des estimations uniformes par sous-domaines des solutions de ces équations pour une conductivité assez élevée. Ces estimations ont motivé une étude préliminaire d'un problème de transmission scalaire pour lequel des estimations a priori sont démontrées grâce à la convergence normale d'un développement asymptotique. L'accord des formules théoriques avec les calculs numériques est remarquable et met en évidence l'influence de la géométrie de l'interface dans le phénomène de l'effet de peau.<br /><br />D'autre part, on étudie le comportement du champ électromagnétique dans une cellule biologique modélisée par un milieu entouré d'une couche mince et plongée dans un milieu ambiant. On calcule des conditions de transmission approchées sur le bord du domaine intérieur équivalentes à la couche mince.

Dans le contexte industriel actuel, il existe encore un grand nombre de tâches pénibles qui ne peuvent pas être automatisées, et où le geste humain reste indispensable. L'introduction d'une assistance robotique peut alors être envisagée pour réduire les efforts que l'opérateur doit fournir, et ainsi éviter l'occurrence de troubles musculosquelettiques. En permettant à l'opérateur de manipuler conjointement un outil (ou objet) porté par le robot, il est possible envisager une collaboration sous forme de compensation de gravité, d'augmentation d'effort ou de réalisation de guides virtuels. Les robots industriels peuvent être des candidats pertinents pour ce type de collaboration, car leurs qualités mécaniques sont particulièrement complémentaires à celles de l'homme : ils sont notamment optimisés pour avoir une grande force, rigidité et précision absolue. Cependant les frottements dans les articulations et l'inertie importante de ces robots s'opposent à une interaction physique avec l'opérateur fluide et légère. L'utilisation d'un capteur d'effort au niveau de l'effecteur et d'une boucle d'effort est donc incontournable. On montre que la stabilité d'un système ainsi asservi dépend alors fortement de l'impédance mécanique qu'oppose la main de l'opérateur lorsqu'il manipule l'effecteur du robot. Nous appuierons notre étude sur une modélisation du robot capable de prendre en compte une flexibilité structurelle entre l'actionneur et la mesure d'effort, qui est à l'origine des limites de stabilité. Afin de résoudre le compromis performance/stabilité très contraignant qui en découle, nous proposons une loi de commande en impédance prenant en compte les caractéristiques de la prise de main sur une poignée d'interaction spécialement conçue. Pour caractériser la prise de main, il nous a été nécessaire de développer un capteur capable de cartographier la pression appliquée sur la surface arrondie de la poignée. Nous détaillons l'architecture et le fonctionnement d'un tel capteur, et montrons qu'il peut aussi être employé pour recouvrir le corps du robot. Nous proposons ainsi une solution pour assurer la sécurité de l'utilisateur vis-à-vis des autres parties mobiles du robot, peu sensibles aux interactions physiques avec l'opérateur ou avec son environnement. Nous complétons notre étude en considérant une interaction tripartite où le robot amplifie les efforts que l'opérateur applique sur l'outil. En adaptant les outils théoriques communément employés dans le domaine de la téléopération, nous menons une étude approfondie sur les limites de stabilité et de performances de ce dispositif. L'ensemble de ces travaux reposent sur des développements théoriques appuyés par des expérimentations sur un robot industriel réel.

Reproduction de : Thèse d'exercice : Médecine. Biologie médicale : Paris 12 : 2008. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. f. 44-48.