Par Emilie WIEDEMANN-FODE , lauréate de la bourse de participation au congrès SB 2025.
La stimulation mécanique joue un rôle important dans le comportement des cellules, qui sont sensibles aux variations physiques de leur environnement, ce qui peut améliorer leur viabilité, favoriser leur prolifération, voire orienter leur différenciation. Recréer et contrôler ces stimulations de manière précise reste toutefois un défi expérimental majeur. La lévitation acoustique constitue une approche innovante pour y répondre : en utilisant des ondes sonores de l’ordre du kHz, il est possible de faire léviter une goutte d’hydrogel sans contact et d’y appliquer des compressions cycliques en modulant le champ acoustique. Cette thèse s’intéresse à l’utilisation de cette technique pour stimuler mécaniquement des cellules encapsulées dans des hydrogels à base biologique, issus notamment de la gelée de Wharton du cordon ombilical ou du tendon de queue de rat. L’objectif est de comprendre le comportement mécanique des gouttes en lévitation et d’accéder à une description locale et quantitative des contraintes perçues par les cellules.
Pour atteindre cet objectif, ce travail repose notamment sur une modélisation numérique par éléments finis développée via FEBio et GIBBON. Le problème présente toutefois deux inconnues majeures : les propriétés mécaniques des hydrogels et la répartition de la pression acoustique appliquée à la goutte. Cette pression, issue du champ acoustique, est responsable de la compression de la goutte et des contraintes ressenties par les cellules. Deux méthodes inverses complémentaires ont ainsi été mises en place. Dans la première, les propriétés des matériaux sont considérées comme connues grâce à différents types d’essai mécaniques, incluant rhéologie et élastographie. Ces données ont permis de décrire le comportement viscoélastique des matériaux via la série de Prony, fournissant les modules de cisaillement et les temps de relaxation. Les valeurs de la pression acoustique sont ensuite identifiées par optimisation, à partir d’une répartition analytique théorique du champ de pression pour un jeu de paramètres donné. La méthode des moindres carrés est utilisée pour minimiser l’écart entre la goutte simulée et la géométrie acquise expérimentalement,
La seconde méthode s’appuie sur une méthode analytique existante qui estime la répartition de la pression acoustique sur la surface de la goutte à partir de son volume, du niveau de pression sonore (SPL) et de la tension de surface. Ici, les paramètres matériaux sont identifiés également par optimisation, en minimisant l’écart entre les gouttes simulée et expérimentale via la méthode des moindres carrés.
Ces approches permettent ainsi d’obtenir des cartographies de contraintes et de déformations à l’intérieur des gouttes en lévitation, offrant ainsi une description locale, à l’échelle cellulaire, des stimulations mécaniques appliquées, bien au-delà des informations globales accessibles expérimentalement. Ce projet ouvre des perspectives importantes pour la mécanobiologie, en fournissant un outil capable de relier directement la tension d’entrée, la réponse mécanique du matériau et les réponses cellulaires observées. À terme, ces travaux pourraient contribuer au développement d’un bioprocédé automatisable utilisant la lévitation acoustique comme méthode sans contact, préservant la stérilité des hydrogels et constituant une alternative aux bioréacteurs traditionnels. Les premiers tests ont d’ailleurs montré que les cellules restent viables et deviennent adhérentes après stimulations. En combinant expériences et simulations, cette approche constitue ainsi une voie prometteuse pour exploiter la stimulation mécanique des cellules par lévitation acoustique.
Figure
Publication
Wiedemann-Fodé, E., Lavrand, A., Louvet, N., Po, C., Chatelin, S., Caballina, O., Schiavi-Tritz, J., Moerman, K., Kerdjoudj, H., & Laurent, C. (2025). Mechanical characterization and computational modelling of a levitating hydrogel droplet to stimulate cells (Version 2, Vol. 1053, Issue 151). Multidisciplinary Biomechanics Journal. https://doi.org/10.46298/mbj.16174.
L'auteure
Emilie WIEDEMANN-FODE, doctorante LEM3
Passionnée par les sciences, elle a suivi un cursus d’ingénieur qui lui a permis de découvrir le monde fascinant de la mécanobiologie. Sa thèse pluridisciplinaire lui offre aujourd’hui l’opportunité de combiner plusieurs domaines scientifiques, tout en explorant l’expérimentation, la modélisation et les applications biologiques pour mieux comprendre l’influence de l’environnement mécanique sur le comportement des cellules.
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