Présentation

Les couplages hydro-chimio-mécaniques au sein des tissus mucoïdes (tels que le cartilage hyalin, la vessie, l’estomac…) sont essentiels pour relier les échelles microscopique et macroscopique et expliquer les interactions entre le comportement cellulaire et la réponse effective du tissu [Baldit 2013; Uzuner et al. 2020; Ortun-Terrazas et al. 2021; Galbusera et al. 2011]. En réalité, la maîtrise de ces couplages est un élément clé pour comprendre la synergie complexe des tissus biologiques et proposer des outils prédictifs de leur bioactivité dans lesquels les états hydro-mécaniques et chimiques locaux jouent un rôle majeur [Lacroix et al. 2002; Lacroix et al. 2019]. À ce jour, une fois appliquée aux tissus biologiques, les modélisations biomécaniques ne parviennent pas à expliquer les variabilités inter-localisation et inter-donneurs, même si la composition des tissus est similaire [Baldit et al. 2018]. Les tissus biologiques sont des matériaux complexes en raison de leur comportement multi-physique et de leur évolution biophysique liée à une mémoire par la croissance et le remodelage [Fung 1993; Latorre et al. 2018; Cyron et al. 2017]. De vastes collections de données expérimentales sont donc nécessaires pour pouvoir établir un modèle numérique solide avec des paramètres optimisés générant des simulations prédictives afin d’améliorer la connaissance du comportement de tissus mucoïdes et de l’étendre à des applications cliniques [Chetoui et al. 2022; Ortun-Terrazas et al. 2021; Galbusera et al. 2011; Wilson et al. 2005]. De ce constat est né ce projet de recherche qui consiste à caractériser une matrice mucoïde représentative d’un point de vue hydro-chimio-mécanique pour des applications médicales et plus particulièrement de médecine régénérative.

L’objectif principal de ce projet est donc d’établir un lien entre les expériences, les simulations numériques et la modélisation (lois de comportement à plusieurs échelles) afin d’étudier et de prédire les couplages hydro-chimio-mécaniques dans les tissus biologiques mous, en se concentrant sur les matrices mucoïdes.
Dans un premier temps, il est nécessaire de disposer d’un modèle de matériau biologique modulable bien connu pour alimenter une procédure de méthode inverse et valider les vertus des outils prédictifs qui en découlent. Un consortium national a été créé pour répondre à cette problématique. Il comprend trois équipes de biomécanique des laboratoires ICUBE, LMGC et LEM3 ainsi qu’une équipe de biologistes du laboratoire BIOS avec l’appui du CHRU de Reims. Au regard des travaux récents du consortium [Baldit et al. 2022; Dubus et al. 2022a; Dubus et al. 2022b; Scomazzon et al. 2021], la GW apparaît comme un matériau approprié et modulable présentant des interactions hydro-chimio-mécaniques. Assurant la flexibilité du cordon ombilical, le rôle principal de la GW est la résistance aux contraintes de torsion et de compression imposées aux vaisseaux ombilicaux pendant le développement du fœtus [Bacsich et al. 1945]. Outre son rôle protecteur, la GW est un riche réservoir de facteurs de croissance et contient des quantités significatives de collagène, d’acide hyaluronique et de glycosaminoglycanes (GAG). Cette composition encourage son utilisation comme greffon pour les plaies difficiles à cicatriser [Scomazzon et al. 2021; Beiki et al. 2017]. Représentant une opportunité précieuse pour le développement de substituts biologiques, car ils peuvent être facilement réalisés d’un point de vue technique et éthique, la GW a été largement étudiée par les biologistes [Dubus et al. 2022a; Dubus et al. 2022b; Scomazzon et al. 2021; Beiki et al. 2017] mais peu par les biomécaniciens [Baldit et al. 2022; Gervaso et al. 2014; Pennati et al. 2001].

Le deuxième objectif est d’étudier en profondeur les matériaux dérivés de la GW afin de maîtriser leur comportement hydro-chimio-mécanique et de produire des outils numériques prédictifs. Enfin, à partir des caractérisations biomécaniques «à un instant donné» des deux objectifs précédents, le troisième objectif se concentre sur l’impact de la bioactivité sur le comportement hydro-chimio-mécanique de ce matériau prometteur en étudiant la réponse de l’hôte et l’intégration des tissus. Un modèle animal murin sera donc mis en place pour recueillir des données in vivo sur les structures de GW implantées. Cette étape ultime permettra de valider les outils développés pour sélectionner le meilleur matériau dérivé de la GW pour des applications médicales sur la base des caractéristiques biomécaniques, en vue d’applications humaines. L’hypothèse principale consiste à considérer les couplages entre les phases solides et fluides, ainsi que les composants chimiques des deux, plus précisément les GAG chargés électriquement et combinés au collagène ainsi que les ions physiologiques.
L’interaction fluide-structure sera modélisée comme un milieu continu homogénéisé dans le cadre de la poro-mécanique [Chetoui et al. 2022; Uzuner et al. 2020; Ortun-Terrazas et al. 2021; Galbusera et al. 2011; Derrouiche et al. 2019; Mow et al. 1980; Lanir et al. 1987] tandis que le couplage chimio-mécanique sera généré par l’équilibre du potentiel chimique à travers l’osmose [Chetoui et al. 2022; Ortun-Terrazas et al. 2021; Galbusera et al. 2011; Wilson et al. 2005]. Sur la base de résultats préliminaires, il est considéré que l’ajustement des réticulations [Soar et al. 2023; Scomazzon et al 2023] et de la teneur en GAGs [Scomazzon et al. 2021; Legouffe et al. 2022; Davidenko et al. 2015], sur des structures géométriquement contrôlées, est suffisant pour moduler les phénomènes d’interaction. Cela permettra donc de discriminer les couplages hydromécaniques des couplages chimio-mécaniques. Enfin, la combinaison de techniques d’imagerie multimodale lors de l’exécution de chargements hydro-chimio-mécaniques et le suivi de la réponse de l’animal à l’intégration des matériaux devraient fournir suffisamment de données pour permettre la construction d’outils prédictifs.

Les connaissances du consortium sur ce type de matrice, qui présente une bonne répétabilité biomécanique [Baldit et al. 2022; Dubus et al. 2022a; Dubus et al. 2022b] et qui permet de moduler la réticulation [Adamiak et al. 2020; Scomazzon et al. 2023], la teneur en GAGs [Scomazzon et al. 2021, Legouffe et al. 2022] et/ou l’environnement [Baldit 2013; Drost et al. 1995; Huyghe et al. 2010], constituent une force.
De plus, comme il s’agit d’un produit recyclé et prometteur pour de futures applications médicales, l’enrichissement des connaissances en matière de couplages hydro-chimio-mécaniques dans la GW apparaît comme un élément crucial pour l’innovation médicale.
Ainsi, ce projet a pour but de générer une grande quantité de données pluridisciplinaires, dans un formalisme inspiré de C4Bio, qui ne sont pas encore disponibles dans la littérature.

Historique

• La collaboration avec le LMGC vient du fait qu’Adrien Baldit y a fait sa thèse et que les questions sur les couplages hydro-chimio-mécaniques sont communes au travaux de Simon Le Floc’h.
• Halima Kerdjoudj et Adrien Baldit collaborent depuis 2016 sur la caractérisation biomécanique de tissus et substituts biologiques. Leur travaux communs sur la gelée de Wharton ont révélé le potentiel de ce matériau pour en faire un modèle d’étude des couplages hydro-chimio-mécaniques.
• Chrystelle Po et Adrien Baldit ont menée plusieurs études, financées par France Life Imaging (FLI ANR-11-INBS-0006), sur la caractérisation de la microstructure de matériaux collagéniques. L’accès à ces informations est cruciales pour pouvoir les intégrer dans l’interprétation et la simulation de notre matériau modèle.

Consortium

Ce projet a un budget actuel de 563k€+58.5k€ (de la Région Grand Est) et implique quatre établissements :

• L’Université de Lorraine : MSc Alexis Da Rocha, MSc Caio de Oliveira Cafiero, Dr Adrien Baldit et Pr Cédric Laurent
• L’Université de Strasbourg : Dr Aurore de Cauwer, Dr Chrystelle Po et Pr Nadia Bahlouli
• L’Université de Reims Champagne Ardenne : MSc Anaïs Lavrand et Pr Halima Kerdjoudj
• L’Université de Montpellier : MSc Eduardo Osquel Perez Riviero, Dr Cristina Cavinato et Dr Simon Le Floc’h

Kick-off 2023

Bibliographie

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Scomazzon, L., Ledouble, C., Dubus, M., Braux, J., Guillaume, C., Bouland, N., Baldit, A., Boulmedais, F., Gribova, V., Mauprivez, C., Kerdjoudj, H., 2024. An increase in Wharton’s jelly membrane osteocompatibility by a genipin crosslink. International Journal of Biological Macromolecules 255, 127562. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2023.127562
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