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Projet ISB

TT2 : Transports et interactions multi-échelles dans les matériaux

 

Interactions dans les systèmes biologiques

 

Les milieux vivants sont des systèmes extrêmement complexes qui ont la capacité de moduler leurs propres caractéristiques en s'adaptant à leur environnement mécanique et biochimique. Comprendre le fonctionnement de ces système est un défi majeur qui demande une approche pluridisciplinaire du fait de la nature multi-physique et multi-échelle des phénomènes mis en jeu. Ainsi, l'émergence de la forme et des propriété à l'échelle de l'organisme n'est que le résultat des interactions entre des phénomène de natures mécanique, chimique et électrique à l'échelle de la cellule, voire à celle moléculaire. Ce projet a pour ambition d'ouvrir la voie à une approche systémique à la mécanique des milieux vivants où, pour appréhender la complexité d'un système, on essaye d'abord de comprendre le fonctionnement de ses parties et de leurs interactions, sans oublier que ledit système est bien plus que la somme de ces parties.

 

Figure 1. Approche systémique pour l'étude du comportement du tissu osseux

 

Les activités de recherche menées dans le périmètre de ce projets font donc appel à des outils méthodologiques et scientifiques divers, adaptés aux différents objets d'études et aux différentes échelles, intégrant les aspects biologiques dans un formalisme qui est celui de la mécanique, des phénomènes de transport et de la chimie moléculaire.

 

Ce projet se décline en plusieurs axes de travail dont l'objectif est de construire les briques élémentaires nécessaires à une compréhension globale du fonctionnement des tissus vivants (osseux au départ) ainsi que d'échafauder les liens entre elles.

Axe 1 / Interactions moléculaires

Cet axe vise à affiner notre connaissance de certains phénomènes biologiques au niveau de la nano-échelle dont dépend le fonctionnement d'ensemble du système musculo-squelettique ostéo-articulaire. Les méthodes mises en œuvre seront celles pertinentes à une description moléculaire de ces systèmes (dynamique moléculaire, mécanique statistique ...). 

 

Interaction eau-minéral. Nous travaillons à l'identification de nouveaux modèles d'eau pour regarder sa diffusion 3D dans les nanopores de la matrice minérale du tissu osseux pour comprendre les phénomènes de minéralisation et déminéralisation, voire de transport dans les nanopores de la phase minérale osseuse, nécessaires pour préserver l'homéostasie calcique de l'organisme et permettre le remodelage osseux. 

 

Protéines dans leur environnement aqueux. Nous étudions la réponse en termes de forme et de distribution de charges de diverses protéines clés de la communication cellulaire à la base du remodelage osseux (PTN, BMP, RANKL, etc.) dans différents environnements mécaniques. 

 

Fibrilles musculaires. Nous développons des modèles discrets de fibrilles constitués de filaments entrelacés (arrangement régulier) et interagissant via des moteurs moléculaires (comportement actif bi- ou multi-stable) ainsi que des modèles continus équivalents.

 

Figure 2. ISB - Axe 1 / Interactions moléculaires : interaction eau-minéral (à gauche) et protéines dans leur environnement aqueux (à droite)

 

Références


[1] T. Lemaire, T.T. Pham, E. CapiezLernout, N.H. de Leeuw, S. Naili (2015), Water in hydroxyapatite nanopores: possible implications for interstitial bone fluid flow. Journal of Biomechanics, 48(12), 3065-3070

 

[2] T.T. Pham, T. Lemaire, E. CapiezLernout, M. Lewerenz, Q.D. To, J.K. Christie, D. Di Tommaso, N.H. de Leeuw, S. Naili (2015), Properties of water confined in hydroxyapatite nanopores as derived from molecular dynamics simulations. Theoretical Chemistry Accounts, 134(5), 59.

 

[3] T. Lemaire, T.T. Pham, N.H. de Leeuw, S. Naili (2015), Bone water at the nanoscale: a Molecular Dynamics study. Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering, 18(S1), 1982-1983.

 

 

Axe 2 / Caractérisation des matériaux du vivant avec prise en compte d’incertitudes

Cet axe vise à modéliser les propriétés mécaniques des tissus vivants (osseux au départ) en intégrant les incertitudes existant sur les propriétés physiques et la géométrie aux échelles inférieures. Les méthodes mises en œuvre allient une description multi-échelle du milieu à un traitement stochastique des variables de microstructure incertaines.

 

Propriétés mécaniques du tissu osseux. Nous développons des modèles de tissu osseux permettant de donner des estimations fiables de ses propriétés mécaniques en s'appuyant sur des mesures d'imagerie haute-résolution et ultrasonores.

 

Ecoulement interstitiel. Nous étudions les phénomènes de transport en milieux poreux, que ce soit en milieu intra-osseux (liquides, ions, protéines) ou dans des biomatériaux, d'intérêt capital pour expliquer la communication cellulaire et dans l'ingénierie tissulaire.

 

Figure 3. ISB - Axe 2 / Caractérisation des matériaux du vivant avec prise en compte d’incertitudes 

 

Références

[4] V. Sansalone, D. Gagliardi, C. Desceliers, V. Bousson, J.-D. Laredo, F. Peyrin, G. Haïat, S. Naili  (2016), Stochastic multiscale modelling of cortical bone elasticity based on high-resolution imaging. Biomechanics and Modeling in Mechanobiology, 15(1), 111-131.

  

[5] S. Naili, V.-H. Nguyen, M. B Vu, C. Desceliers, C. Soize (2015), Modeling of transient ultrasound wave propagation in a random heterogeneous long bone coupled with fluid, Journal of the Acoustical Society of America, 137(2), 668–678.

  

[6] V. Sansalone, D. Gagliardi, C. Desceliers, G. Haïat, S. Naili (2015), On the uncertainty propagation in multiscale modeling of cortical bone elasticity. Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering, 18(S1), 2054-2055.