Micro-flows of red blood cell suspensions : rheology and occlusion

La microcirculation sanguine est un système constitué de réseaux complexesde vaisseaux sanguins de diamètres micrométriques. C’est le lieu privilégié deséchanges de gaz et de nutriments entre le sang et les tissus.Les écoulements dans ces réseaux sont gouvernés par les propriétés des constituantsdu sang c’est-à-dire des cellules en suspension dans du plasma et plus particulièrementdes globules rouges qui sont les cellules majoritaires dans le sang.Selon les conditions de l’écoulement, les globules rouges, qui sont des particulesdéformables, peuvent présenter différents types de formes et de dynamiques quiinfluencent la rhéologie de la suspension. Les interactions hydrodynamiques entreglobules rouges et avec les parois dans les vaisseaux confinés influencent égalementles écoulements à travers des phénomènes de diffusion mais aussi de structurationdes globules au sein de la suspension. Il a notamment été montré que des couchesde plasma dépourvues de globules rouges près des parois des vaisseaux sanguins induisentune diminution de la viscosité effective de la suspension lorsqu’on diminuele diamètre du vaisseau. Par ailleurs, des structurations en file ont également étéobservées dans la microcirculation sanguine avec des conséquences probables surla rhéologie. Au cours de ces travaux de thèse, nous avons investigué les propriétésrhéologiques de suspensions de globules rouges en micro-écoulement grâce à uneméthode de rhéométrie microfluidique. Nous avons focalisé notre attention sur larelation entre la rhéologie et la structuration de la suspension dans un canal, liéeau confinement ainsi qu’aux régimes dynamiques des globules en écoulement.Dans certains cas pathologiques comme la drépanocytose où les propriétés desglobules rouges peuvent être modifiées, les écoulements dans la microcirculationpeuvent être perturbés et conduire à des crises vaso-occlusives dont les mécanismesphysiques restent mal compris. Nous avons exploré la dynamique de formationd’occlusions et leurs évolutions dans des réseaux de canaux micrométriques modèlesavec des suspensions de globules rouges dont les propriétés ont été modifiées,révélant ainsi une dynamique complexe où l’adhésion et des effets d’obstructionsinterviennent.Blood microcirculation consists in blood flowing in complex microvessel networks.Gas and nutrient exchanges between blood and tissues occur in these networks.Microcirculatory blood flows are governed by the properties of blood components,mainly red blood cells suspended in plasma. Red blood cells are deformableparticles which can exibit different shapes and motion dynamics that influence therheology. Hydrodynamic interactions between red blood cells and with walls of theconfined channels lead to diffusion and structuration in the suspension that alsoaffects the rheology. Plasma cell-free layers near walls observed in the microcirculationinduce a decrease of the effective viscosity with decreasing vessel diameter.Other types of structuration like layering of red blood cells have been observed inthe microcirculation with possible rheological consequences. In the present work,we investigated the rheology of confined red blood cell suspensions and focusedon the link between rheology and structuration of the suspension thanks to amicrofluidic viscosimeter.The sickle cell disease which modifies the properties of red blood cells leadsto flow disorders with the formation of occlusions in the narrow capillaries ofthe microcirculation. We explored the formation and the evolution of occlusionsin simplified networks of microchannels when properties of red blood cells aremodified, revealing complex dynamics where adhesion and jamming effect occur