Modélisation de l'écoulement dans une biocéramique à pores sphériques interconnectés : Application aux bioréacteurs

Combler une perte osseuse est une nécessité fréquente en chirurgie. L’usage d’implants biocéramiques est limité, conduisant au delà de quelques cm3, inaccessibles à l’ostéogénèse, à une hétérogénéité intrinsèquement fragile et une vascularisation interrompue. Les biomatériaux hybrides sont une solut...

Full description

Bibliographic Details
Main Author: Nguyen, Trong-Khoa
Other Authors: Artois
Language:fr
Published: 2013
Subjects:
Online Access:http://www.theses.fr/2013ARTO0211/document
id ndltd-theses.fr-2013ARTO0211
record_format oai_dc
spelling ndltd-theses.fr-2013ARTO02112019-01-11T04:30:18Z Modélisation de l'écoulement dans une biocéramique à pores sphériques interconnectés : Application aux bioréacteurs Numerical modelling of fluid flow in a bioceramic with spherical interconnected pores : Application to bioreactors Substitut osseux Biomatériaux hybrides Culture cellulaire Bioréacteur Modèle microfluidique Milieu poreux Perméabilité Débit Bone implant Hybrid biomaterials Cell culture Bioreactor Microfluidic model Porous media Permeability Flow rate Combler une perte osseuse est une nécessité fréquente en chirurgie. L’usage d’implants biocéramiques est limité, conduisant au delà de quelques cm3, inaccessibles à l’ostéogénèse, à une hétérogénéité intrinsèquement fragile et une vascularisation interrompue. Les biomatériaux hybrides sont une solution. Ensemencée, la céramique est mise en culture en bioréacteur, un fluide y circulant afin d'alimenter les cellules et d’évacuer leurs déchets.L’étude porte sur une céramique en phosphate de calcium dont l’architecture interne consiste en pores sphériques interconnectés de quelques centaines de microns de diamètre. Le choix du débit et de l'écoulement à travers ce matériau reste jusqu’ici empirique. Pour optimiser la culture, il s'avère cependant nécessaire de savoir les déterminer en tout point afin de pouvoir les optimiser et les reproduire et, à terme, d'optimiser le choix de la biocéramique.L'étude numérique s'impose car les grandeurs physiques finales recherchées (vitesses et pressions locales) ne sont pas mesurables sur la structure microscopique. Or, ces grandeurs optimisées permettent de définir les grandeurs d'entrée optimales. Le protocole débute par une modélisation de la microstructure et le calcul de la taille du VER afin d'identifier la perméabilité intrinsèque du milieu. Une analyse statistique de la répartition des contraintes tangentielles en fonction des grandeurs moyennes homogénéisées permet ensuite d'identifier les paramètres d'entrée optimaux dans le VER. Finalement, une optimisation globale de la résolution des équations de Navier-Stokes sur la structure homogénéisée permet de définir le paramètre final, à savoir le débit de contrôle du bioréacteur. Repairing a bone loss is a frequent need in orthopaedic surgery. Though now much developed the use of bioceramic implants is limited: a bulk greater than a few cm3 does not allow a complete osteogenesis. So an intrinsic brittle heterogeneity remains with an interrupted vascularization. Hybrid biomaterials are a solution. Seeded ceramics are cultured in a bioreactor, a fluid flowing through the material to feed the cells and to clear their waste out.This study focuses on a calcium phosphate ceramic whose internal architecture consists of spherical interconnected pores of a few hundred microns in diameter. The choice of the flow rate or other flow parameters through the material remains far empiric. To optimize the cell culture, it is however necessary to know how to determine them at any point in order to optimize and reproduce them and eventually to optimize the choice of the bioceramic.A numerical study is necessary because the final desired physical parameters (local velocities and pressures) are not measurable on a microscopic structure. However, these quantities are used to define the optimal input values. The protocol begins in modelling the microstructure and determining the size of the representative elementary volume (REV) in order to identify intrinsic permeability of the material. A statistical analysis of the distribution of shear stresses based on homogenized average values then leads to identify optimal input parameters in the REV. Finally, a global optimization of solving of the Navier-Stokes equations on the homogenized structure leads to define the final parameter, namely the flow of control of the bioreactor. Electronic Thesis or Dissertation Text fr http://www.theses.fr/2013ARTO0211/document Nguyen, Trong-Khoa 2013-06-28 Artois Hivart, Philippe
collection NDLTD
language fr
sources NDLTD
topic Substitut osseux
Biomatériaux hybrides
Culture cellulaire
Bioréacteur
Modèle microfluidique
Milieu poreux
Perméabilité
Débit
Bone implant
Hybrid biomaterials
Cell culture
Bioreactor
Microfluidic model
Porous media
Permeability
Flow rate

spellingShingle Substitut osseux
Biomatériaux hybrides
Culture cellulaire
Bioréacteur
Modèle microfluidique
Milieu poreux
Perméabilité
Débit
Bone implant
Hybrid biomaterials
Cell culture
Bioreactor
Microfluidic model
Porous media
Permeability
Flow rate

Nguyen, Trong-Khoa
Modélisation de l'écoulement dans une biocéramique à pores sphériques interconnectés : Application aux bioréacteurs
description Combler une perte osseuse est une nécessité fréquente en chirurgie. L’usage d’implants biocéramiques est limité, conduisant au delà de quelques cm3, inaccessibles à l’ostéogénèse, à une hétérogénéité intrinsèquement fragile et une vascularisation interrompue. Les biomatériaux hybrides sont une solution. Ensemencée, la céramique est mise en culture en bioréacteur, un fluide y circulant afin d'alimenter les cellules et d’évacuer leurs déchets.L’étude porte sur une céramique en phosphate de calcium dont l’architecture interne consiste en pores sphériques interconnectés de quelques centaines de microns de diamètre. Le choix du débit et de l'écoulement à travers ce matériau reste jusqu’ici empirique. Pour optimiser la culture, il s'avère cependant nécessaire de savoir les déterminer en tout point afin de pouvoir les optimiser et les reproduire et, à terme, d'optimiser le choix de la biocéramique.L'étude numérique s'impose car les grandeurs physiques finales recherchées (vitesses et pressions locales) ne sont pas mesurables sur la structure microscopique. Or, ces grandeurs optimisées permettent de définir les grandeurs d'entrée optimales. Le protocole débute par une modélisation de la microstructure et le calcul de la taille du VER afin d'identifier la perméabilité intrinsèque du milieu. Une analyse statistique de la répartition des contraintes tangentielles en fonction des grandeurs moyennes homogénéisées permet ensuite d'identifier les paramètres d'entrée optimaux dans le VER. Finalement, une optimisation globale de la résolution des équations de Navier-Stokes sur la structure homogénéisée permet de définir le paramètre final, à savoir le débit de contrôle du bioréacteur. === Repairing a bone loss is a frequent need in orthopaedic surgery. Though now much developed the use of bioceramic implants is limited: a bulk greater than a few cm3 does not allow a complete osteogenesis. So an intrinsic brittle heterogeneity remains with an interrupted vascularization. Hybrid biomaterials are a solution. Seeded ceramics are cultured in a bioreactor, a fluid flowing through the material to feed the cells and to clear their waste out.This study focuses on a calcium phosphate ceramic whose internal architecture consists of spherical interconnected pores of a few hundred microns in diameter. The choice of the flow rate or other flow parameters through the material remains far empiric. To optimize the cell culture, it is however necessary to know how to determine them at any point in order to optimize and reproduce them and eventually to optimize the choice of the bioceramic.A numerical study is necessary because the final desired physical parameters (local velocities and pressures) are not measurable on a microscopic structure. However, these quantities are used to define the optimal input values. The protocol begins in modelling the microstructure and determining the size of the representative elementary volume (REV) in order to identify intrinsic permeability of the material. A statistical analysis of the distribution of shear stresses based on homogenized average values then leads to identify optimal input parameters in the REV. Finally, a global optimization of solving of the Navier-Stokes equations on the homogenized structure leads to define the final parameter, namely the flow of control of the bioreactor.
author2 Artois
author_facet Artois
Nguyen, Trong-Khoa
author Nguyen, Trong-Khoa
author_sort Nguyen, Trong-Khoa
title Modélisation de l'écoulement dans une biocéramique à pores sphériques interconnectés : Application aux bioréacteurs
title_short Modélisation de l'écoulement dans une biocéramique à pores sphériques interconnectés : Application aux bioréacteurs
title_full Modélisation de l'écoulement dans une biocéramique à pores sphériques interconnectés : Application aux bioréacteurs
title_fullStr Modélisation de l'écoulement dans une biocéramique à pores sphériques interconnectés : Application aux bioréacteurs
title_full_unstemmed Modélisation de l'écoulement dans une biocéramique à pores sphériques interconnectés : Application aux bioréacteurs
title_sort modélisation de l'écoulement dans une biocéramique à pores sphériques interconnectés : application aux bioréacteurs
publishDate 2013
url http://www.theses.fr/2013ARTO0211/document
work_keys_str_mv AT nguyentrongkhoa modelisationdelecoulementdansunebioceramiqueaporesspheriquesinterconnectesapplicationauxbioreacteurs
AT nguyentrongkhoa numericalmodellingoffluidflowinabioceramicwithsphericalinterconnectedporesapplicationtobioreactors
_version_ 1718813335165599744