Microfluidique des milieux poreux : application au génie tissulaire osseux

Microfluidics of porous media: bone tissue engineering application

Résumé

En orthopédie, l’utilisation d’un implant hybride constitué d’un substrat poreux dans lequel sont cultivées des cellules osseuses provenant du patient est une technique de greffe actuellement développée. La culture des cellules est effectuée au sein d’un bioréacteur, où l’implant est perfusé pendant plusieurs semaines. La perfusion permet l’apport d’oxygène nécessaire aux cellules pour leur développement. La maîtrise des phénomènes de transport au sein de l’implant est donc essentielle à la réussite d’une telle culture cellulaire. L’étude ici présentée, a abouti à la mise en place d’un modèle simplifié permettant de résoudre par simulation numérique un problème de transport d’oxygène stationnaire en milieu poreux. Ce modèle prend en compte l’influence de la géométrie complexe de l’implant sur les vitesses locales du fluide nutritif perfusé et un terme « puits » non linéaire imposé par la spécificité de la consommation cellulaire. La résolution numérique faiblement couplée de l’équation de convection-diffusion et celles de Navier Stokes est alors nécessaire.

Une longueur de pénétration de l’oxygène dans le milieu poreux est calculée, l’hétérogénéité locale chimique et mécanique de l’environnement de culture mise en évidence, et l’influence de différents paramètres tels que la vitesse de perfusion ou la concentration initiale en oxygène du fluide nutritif est analysée de manière théorique. Bien qu’il soit nécessaire de compléter ce modèle, nous pouvons ainsi envisager de choisir une taille d’implant adaptée et de définir des conditions de culture optimales préalables à la réalisation d’un processus de culture performant.

Abstract

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.