L'ingénierie tissulaire représente une solution prometteuse pour la production de substituts osseux. L'utilisation de bioréacteurs à perfusion pour cultiver des cellules ostéo-compétentes sur des matrices poreuses, permet de résoudre les limitations dues au transfert de masse, et d'apporter des stimuli physiques améliorant la prolifération et la différenciation cellulaire. Malgré les récents et importants développements des bioréacteurs en ingénierie tissulaire, les mécanismes menant à la production de substituts osseux en bioréacteurs restent mal compris.Le but de cette thèse est d'améliorer la compréhension de l'influence des phénomènes de transport, sur la croissance cellulaire et tissulaire dans un bioréacteur à perfusion. Dans cet objectif, une approche combinant modélisation et expérimentation est proposée.Dans un premier temps, un cadre théorique rigoureux est développé afin d'étudier les propriétés de transport du bioréacteur. Etant donné la nature hiérarchique du système, l'aspect multi-échelle du problème doit être pris en compte. En se basant sur la méthode de prise de moyenne volumique avec fermeture, les processus de transport d'espèce et de quantité de mouvement sont homogénéisés à partir de l'échelle de la matrice extracellulaire, jusqu'à l'échelle du bioréacteur. Les propriétés effectives des différentes structures rencontrées sont évaluées, et l'influence des dépendances inter-échelles sont mises en valeur. Le model macroscopique obtenu inclus des termes non-conventionnels, dont les contributions sont évaluées pour les conditions de fonctionnement du bioréacteur.Dans un second temps, la prolifération cellulaire et la production de tissu sont étudiées d'un point de vue expérimentale et théorique. Premièrement, des cellules de type fibroblaste, sont cultivées jusqu'à trois semaines sur des billes de verre, dans un bioréacteur perfusé à 10mL/min. Un protocole combinant des techniques d'histologie et d'analyse d'image, permet de quantifier la croissance de cellules et de tissu en fonction du temps et de l'espace. Deuxièmement, une cinétique de production de tissu est introduite dans le modèle de transport multiéchelle développé plus tôt. Finalement, la résolution à l'échelle du bioréacteur permet de discuter les résultats expérimentaux et théoriques au regard des phénomènes de transport ayant lieux dans le bioréacteur à perfusion. / Tissue engineering represents a promising approach for the production of bone substitutes. The use of perfusion bioreactors for the culture of bone-forming cells on a three-dimensional porous scaffold material, resolves mass transport limitations and provides physical stimuli, increasing the overall proliferation and differentiation of cells. Despite the recent and important development of bioreactors for tissue engineering, the underlying mechanisms leading to the production of bone substitutes remain poorly understood. The aim of this thesis is to gain insight on the influence of transport phenomena, on cell and tissue growth within a perfusion bioreactor. To this purpose, a combined modeling and experimental approach is followed.To start with, a rigorous theoretical framework is developed in order to study the transport properties of the bioreactor. Given the hierarchical nature of the system, the multiscale aspect of the problem must be taken into account. Based on the volume averaging theory with closure, mass and momentum transport processes are upscaled from the extracellular matrix scale, to the bioreactor scale. The effective properties of the encountered structures are evaluated, and the influence of the interscale dependencies are emphasized. The resulting macroscopic model includes non-conventional terms, which contributions are evaluated in the case of the bioreactor culture conditions.Then, cell proliferation and tissue growth are studied both, from an experimental and modeling point of view. First, fibroblast cells are cultured on glass beads in a bioreactor, perfused with culture medium at 10mL/min, for up to three weeks. A protocol combining histological techniques and image analysis allows the quantification of cell and tissue growth as a function of space and time. Second, a theoretical tissue production kinetic is introduced in the multiscale transport model previously developed. Finally, the resolution at the bioreactor scale allows to discuss the theoretical and experimental results in regard to the transport phenomena taking place in the perfusion bioreactor.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:theses.fr/2015ECAP0003 |
| Date | 12 January 2015 |
| Creators | Chabanon, Morgan |
| Contributors | Châtenay-Malabry, Ecole centrale de Paris, Goyeau, Benoît, David, Bertrand |
| Source Sets | Dépôt national des thèses électroniques françaises |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation, Text |
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