Nouveau dispositif fluidique pour la stimulation et la caractérisation biomécanique de microsphères : preuve de concept et application aux micropellets de cartilage

Articular cartilage (AC) pathologies have emerged as a public health problem. Tissue engineering, whose objective is to create new tissues with cells, is a promising therapeutic solution for the repair of AC lesions but still requires research to improve the mechanical properties of the new tissues. The objective of this PhD thesis work was to analyze the impact of mechanical stimuli in the development and maintenance of AC, based on the model of cartilage micropellet, derived from the aggregation of mesenchymal stem cells. For this purpose, a fluidic device able to mechanically stimulate and characterize small and irregularly shaped cartilage micropellets was developed. Six cartilage micropellets in six conical wells can be simultaneously stimulated by compression and characterized through different pressure signals. Associated to a numerical model, the fluidic device has been shown to allow the characterization of the mechanical properties of various microspheres made of alginate, collagen or cross-linked collagen as compared to a conventional characterization method by compression between two planar surfaces. The reliability of the device for the application of mechanical stimuli have been confirmed by analyzing the pressure signals generated. Stimulation of 21-day cartilage micropellets with a square-wave signal with various amplitudes, frequencies and durations have shown that chondrocyte gene expression could be modulated by mechanical stimuli. Moderate levels of deformation of the micropellets were observed without any obvious damage. The mechanical characterization of 21-day micropellets have shown results consistent with the literature. This proof of concept shows the interest of the fluidic device allowing the stimulation and characterization of cartilage micropellets and highlighted possibilities to improve the system and associated numerical analysis methods as well as directions to improve our understanding of cartilage micropellet development under mechanical stimulations.Les pathologies du cartilage articulaire (CA) constituent aujourd’hui un problème de santé publique. L’ingénierie tissulaire, dont l’objectif est la création de nouveaux tissus contenant des cellules, est une solution thérapeutique prometteuse pour la réparation de lésions du CA mais nécessite encore des recherches pour améliorer les propriétés mécaniques des néo-tissus. Ce travail de thèse avait pour objectif l’analyse de l’impact de stimulations mécaniques sur le développement et le maintien du CA. Le micropellet de cartilage, conçu à partir de l’agrégation de cellules souches mésenchymateuses, a été choisi comme modèle biologique d’étude. Pour ce faire, un dispositif fluidique capable de stimuler et caractériser mécaniquement les micropellets de cartilage de petite taille et de forme irrégulière a été développé. Il permet de stimuler et caractériser simultanément 6 micropellets de cartilage par leur compression dans 6 puits coniques, grâce à différents signaux de pression. L’association du dispositif fluidique à un modèle numérique a rendu possible la caractérisation mécanique de diverses microsphères à base d’alginate, de collagène ou de collagène réticulé par comparaison à une méthode de caractérisation conventionnelle par compression entre deux surfaces planes. La fiabilité du dispositif pour l’application de stimuli mécaniques a été vérifiée en analysant les signaux de pression générés. La stimulation de micropellets de cartilage de 21 jours par un signal carré avec diverses amplitudes, fréquences et durées a montré que l’expression des gènes chondrocytaires pouvait être modulée par les stimulations mécaniques. Des déformations importantes des micropellets ont été observées sans toutefois les altérer structurellement. La caractérisation mécanique de micropellets de 21 jours a montré des résultats cohérents avec la bibliographie. Cette preuve de concept a montré l’intérêt du dispositif fluidique permettant la stimulation et la caractérisation de micropellets de cartilage, et a mis en évidence des pistes d’amélioration du système et des méthodes d’analyses numériques associées ainsi que des pistes de travail pour améliorer notre compréhension du développement du micropellet de cartilage lors de stimulations mécaniques