Microfluidique des milieux poreux : Application au Génie Tissulaire osseux

摘要

Le Génie Tissulaire est défini comme « un domaine interdisciplinaire utilisant les savoirs de l'ingénieur, les sciences de la vie et les sciences cliniques en vue de résoudre des problèmes médicaux sévères tels qu'une perte de tissu ou une défaillance d'organe» [Patrick et al., 1998]. L'objectif est de remplacer les tissus endommagés par des tissus cultivés in vitro, de natures différentes (veines, artères, os, cartilage ou encore la peau) [Baquey et al., 1997]. Depuis la fin des années 80, les chercheurs se penchent sur la fabrication de tissus humains à partir de cellules du patient lui-même afin d'éviter les réactions de rejet ainsi que les transmissions virales. Ce domaine, en pleine expansion, est à même de changer profondément les techniques médicales par le remplacement des organes au lieu de leur simple réparation [Hiising et al, 2003]. En orthopédie, dans le cas de lésions osseuses avec perte importante de substance, dues par exemple à l'ablation d'une tumeur cancéreuse, la reconstruction naturelle de l'os ne peut s'effectuer convenablement, et la mise en place d'implants s'avère indispensable pour combler la lacune. De nombreuses recherches sont donc menées dansrnce domaine afin de proposer des alternatives innovantes. Parmi elles, l'implantation d'un substrat poreux dans lequel sont précultivées des cellules souches du mésenchyme, pouvant se différencier en cellules osseuses ou cartilagineuses, est prometteuse. En effet, les expériences effectuées dans notre unité de recherche par l'équipe de H. Petite portant sur des métatarses de brebis ont démontré que l'utilisation d'un implant en corail favorisait la reconstruction naturelle de l'os, lorsque celui-ci était préalablement colonisé par des cellules souches mésenchymateuses [Petite et al.,2000].%In orthopedics, a currently developed graft technique consists in using hybrid implants, composed by porous scaffolds seeded with patient's bone cells. Culture of the resulting artificial tissue is achieved within a bioreactor, where this implant is perfused during several weeks. Perfusion allows essential oxygen transport for cells development. Therefore, the control of transport phenomena is necessary to obtain a successful cell culture. The present study has led to the implementation of a simplified model, allowing to solve, using numerical simulation, a transport problem within a porous implant. This model takes into account the influence of the complex scaffold geometry on the nutritive fluid velocity field and the non linear processes imposed by cells oxygen consumption. Hence, "weakly " coupled equations (Navier-Stokes and convection-diffusion equations) are numerically solved. An oxygen penetration length within the porous medium is then calculated and local heterogeneity of the mechanical and chemical environment at the pore length scale is underlined. The influence of physical quantities such as initial oxygen concentration and perfusion velocity is theoretically analyzed. Although this model has to be completed, its use allows to choose an adapted scaffold size and to define optimal culture conditions, in order to design an efficient cells culture process.