Dissertationen zum Thema „Substitut de thorax humain“

Au cours des dernières années, l'utilisation d'armes à létalité réduite a augmenté. Ces armes, conçues pour neutraliser des individus présentant un comportement dangereux, peuvent causer des blessures, voire la mort. Des mécanismes de lésions similaires sont observés lors de la déformation arrière des gilets pare-balles au cours d'impact avec projectiles d’arme à feu. Afin de protéger les citoyens et les forces de l’ordre, il est nécessaire de prévenir de tels scénarios. Or aujourd'hui peu d'outils sont disponibles pour aider au dimensionnement de tel équipements. Dans cette optique, ce travail de thèse vise à développer des outils de prédiction du risque de lésion thoracique lors d'impact balistique non pénétrant. Ainsi, un substitut physique de thorax humain et son jumeau numérique sont développés. Dans un premier temps, le modèle numérique HUByx est utilisé comme référence pour construire un modèle numérique simplifié pouvant être fabriqué avec des matériaux disponibles dans le commerce. Les différents matériaux sont caractérisés et leurs lois de comportement sont établies. Une fois validé, ce modèle numérique sert de base pour construire le substitut physique appelé SurHUByx. Celui-ci est équipé de différents capteurs permettant d'enregistrer les données au niveau des côtes et des organes internes lors d'impact. Des cas d'impact précisément décrits dans des rapports sont reproduits sur SurHUByx pour relier les données issues des capteurs à un bilan lésionnel. Enfin, une approche statistique est utilisée pour développer des courbes de probabilité de lésion, permettant d'estimer le risque de lésion suite à un impact sur SurHUByx ou son jumeau numérique SurHUByx FEM
In recent years, the use of less-lethal weapons has increased. These weapons, designed to neutralise individuals exhibiting dangerous behaviour, can cause injuries or even death. Similar injury mechanisms are observed in the rear deformation of bulletproof vests during impacts. To protect citizens and law enforcement personnel, it is necessary to prevent such scenarios. However, today there are few tools available to assist in the sizing of such equipment. In this context, this thesis aims to develop tools for predicting thoracic injury risk during non-penetrating ballistic impacts. Accordingly, a physical substitute of the human thorax and its numerical twin are developed. Initially, the HUByx numerical model is used as a reference to construct a simplified numerical model that can be manufactured using readily available materials. Different materials are characterised, and their material laws are established. Once validated, this numerical model serves as a basis for constructing the physical substitute called SurHUByx. It is equipped with various sensors to record data over the rib and in internal organs during ballistic impacts. Specific impact cases described in case reports are replicated on SurHUByx to correlate sensor data with injury assessments. Finally, a statistical approach is used to develop injury prediction curves, allowing to estimate of the risk of injury following an impact on SurHUByx or its numerical twin, SurHUByx FEM

Le génie tissulaire ossseux est un domaine de la médecine régénératrice qui permet la production de substituts à partir des cellules du patient en association avec des biomatériaux, ou non, et des facteurs de croissance, tels que les bone morphogenetic proteins (BMP). La composition chimique ou l’origine xénogénique de ces biomatériaux peut mener à des échecs de guérison qui se traduisent alors par la non-intégration du greffon au tissu natif environnant ou le rejet par le corps du patient. En outre, en absence de vascularisation, le centre des tissus épais produits se retrouvera avec un apport réduit, voir insuffisant en nutriments et oxygène. Ceci peut diminuer considérablement la survie des greffons et la guérison après la greffe. Nous avons émis l’hypothèse que la prévascularisation de ces substituts osseux procurera un réseau capillaire pouvant favoriser l’ostéogenèse in vitro et la guérison osseuse in vivo. Le but global de cette thèse est de développer un nouveau modèle de feuillet osseux humain prévascularisé produit par la méthode d’auto-assemblage à partir des cellules souches du tissu adipeux (CSTA). Les objectifs sont : 1) Déterminer le potentiel pro-angiogénique de ces feuillets osseux, et étudier le développement de structures microvasculaires bio-imprimées par laser. 2) Caractériser la formation d’un réseau capillaire produit grâce à un ensemencement aléatoire de cellules endothéliales et évaluer l’impact de ce dernier sur l’ostéogenèse, la biominéralisation et la guérison de défauts osseux calvariens. 3) Améliorer l’ostéogenèse des tissus par un traitement à la BMP et déterminer le potentiel de substituts osseux, co-cultivés ou non avec des cellules endothéliales, à stimuler la guérison des défauts osseux alvéolaires. Ainsi, des CSTA ont été induites dans une voie de différenciation ostéogénique pour former des feuillets osseux manipulables. Ces feuillets ont présenté un profil pro-angiogénique avec la sécrétion de molécules, telles que le vascular endothelium growth factor (aussi iv élevé que les feuillets non différenciés) et l’angiopoiétine-1 (2,3 fois plus élevé que les feuillets non différenciés), pouvant favoriser la formation et le maintien d’un réseau capillaire. De larges structures capillaires ont été formées par la bio-impression par laser de cellules endothéliales extraites de cordons ombilicaux humains (HUVEC). L’alignement de ces structures dépend de l’orientation cellulaire des feuillets empilés. Des tissus osseux prévascularisés par la méthode d’ensemencement aléatoire ont permis la formation d’un réseau capillaire 2,1 fois plus dense et 3,7 fois plus ramifié comparativement aux tissus non différenciés. Cependant, la prévascularisation retarde l’ostéogenèse et la biominéralisation in vitro, avec des réductions de la sécrétion en ostéocalcine (1,7 fois) et de la formation d’hydroxyapatite (1,6 fois) dans la matrice des feuillets osseux. Une amélioration de la survie des greffons osseux lorsqu’ils ont été prévascularisés (5,7 fois) a été révélée après 12 semaines d’implantation dans des défauts osseux calvariens créés dans des rats immunodéficents. En outre, les résultats suggèrent que la prévascularisation des tissus osseux ne nuit pas à la cicatrisation osseuse des défauts crâniens. Afin d’améliorer le potentiel du modèle, les effets d’un traitement à la BMP-9 sur l’ostéogenèse des CSTA, ainsi que l’impact de leur co-culture avec des HUVEC durant 21 jours, ont été étudiés. Ainsi, un traitement à la BMP-9 des tissus osseux a permis d’augmenter significativement l’activité de la phosphatase alcaline (3 fois), alors que la prévascularisation permet d’augmenter considérablement l’épaisseur (2 fois) et les propriétés mécaniques (pourcentage de déformation : 1,6 fois, module de Young : 3,6 fois et résistance à la traction : 3,7 fois) des tissus osseux après 21 jours de co-culture. Des tissus osseux et stromaux non traités, prévascularisés ou traités à la BMP-9 ont été greffés pendant dix semaines dans des défauts osseux alvéolaires créées chez des rats immunodéficients suite à des extractions dentaires. Un biomatériau chirurgical de comblement osseux a été utilisé comme contrôle positif. Des analyses par microtomodensitométrie et des observations histologiques ont révélé une guérison osseuse élevée lorsque les défauts ont été greffés avec des tissus osseux traités à la BMP-9 ou non. En v outre, ces défauts ont présenté un volume osseux similaire à ceux comblés avec le biomatériau. Finalement, ce nouveau modèle de tissu osseux humain prévascularisé pourrait ultimement offrir aux cliniciens une solution avantageuse pour les traitements de petits défauts osseux en plus de représenter, pour les chercheurs fondamentaux, un outil de recherche in vitro performant.
Bone tissue engineering is a field of regenerative medicine that allows the production of substitutes from the patient’s cells in association with either biomaterials and/or growth factors, such as bone morphogenetic proteins (BMPs). The chemical composition or the xenogeneic origin of these biomaterials can lead to healing failures that would result in the non-integration of the graft to the surrounding native tissue or the rejection by the patient’s body. Moreover, in the absence of vascularization, the center of thick tissues produced will end up with reduced or insufficient intake of nutrients and oxygen. This can significantly reduce graft survival and post-implantation healing. We hypothesized that the prevascularization of these osseous substitutes will provide a capillary network that can promote in vitro osteogenesis and in vivo bone healing. The overall goal of this thesis is to develop a new model of a prevascularized human osseous cell sheet produced by the self-assembly method using human adipose-derived stem cells (hASCs). The aims are: 1) Determine the pro-angiogenic potential of these osseous cell sheets, and study the development of laser-assisted bioprinted microvascular structures. 2) Characterize the formation of a capillary network produced by random seeding of endothelial cells and evaluate its impact on osteogenesis, biomineralization, and the healing of calvarial bone defects. 3) Improve osteogenesis of the tissues using bone morphogenetic protein (BMP) treatment and determine the potential of osseous substitutes, co-cultured or not with endothelial cells, to heal alveolar bone defects. Thus, hASCs have been induced towards an osteogenic differentiation pathway to form manipulable osseous cell sheets. These cell sheets showed a pro-angiogenic profile with the secretion of molecules, such as vascular endothelium growth factor (as high as non-induced cell sheets) and angiopoietin-1 (2.3-fold higher than non-induced cell sheets), that can vii promote the formation and the maintenance of a capillary network. Large endothelial structures were formed by laser-assisted bioprinting of human umbilical vein endothelial cells (HUVECs). The alignment of these structures depends on the cellular orientation of the stacked cell sheets. Prevascularized osseous tissues, which were vascularized by the random seeding method, allowed the formation of a capillary network 2.1-fold denser and 3.7-fold more connected compared to non-induced tissues. However, prevascularization delayed osteogenesis and biomineralization in vitro, with decreases in osteocalcin secretion (1.7-fold) and hydroxyapatite formation (1.6-fold) in the matrix. Prevascularization of the osseous grafts revealed an improvement of their survival (5.7-fold) after 12 weeks of implantation in calvarial bone defects created in immunodeficient rats. In addition, these results suggest that the prevascularization of osseous tissue does not interfere with the healing of cranial bone defects. To improve the potential of the model, the osteogenic effect of BMP-9 treatment on hASCs, as well as the impact of their co-culture with HUVECs for 21 days, were investigated. BMP-9 treatment of osseous tissues significantly increased the activity of alkaline phosphatase (3-fold), while prevascularization significantly increased the thickness (2-fold) and the mechanical properties (percent deformation: 1.6-fold, Young modulus: 3.6-fold and tensile strength: 3.7-fold) of the osseous tissues after 21 days of co-culture. Untreated, prevascularized or BMP-9-treated osseous and stromal tissues were grafted for 10 weeks into alveolar bone defects created in immunodeficient rats following tooth extractions. A surgical bone filler biomaterial was used as a positive control. Micro-computed tomography scans and histologic observations revealed elevated bone healing when the defects are grafted with BMP-9-treated or non-BMP-treated osseous tissues. In addition, these defects exhibited a similar bone volume fraction at the implantation site after 10 weeks compared to those filled with the biomaterial. viii Finally, this new model of prevascularized human osseous tissue could ultimately offer clinicians an advantageous solution for the treatment of small bone defects and represent, for fundamental researchers, a powerful in vitro research tool.

La recherche en biomécanique des chocs est une nécessité pour améliorer la sécurité dans les transports. Pour une meilleure évaluation des critères lésionnels lors des simulations de crash, le manque de représentativité des modèles EF du thorax humain pourrait être comblé par une démarche de personnalisation aussi bien au niveau géométrique que mécanique. Cette thèse se base sur l'étude de 18 sujets humains post-mortem. A partir des données d'imagerie, les différentes dimensions des côtes sont analysées. La corrélation de ces paramètres aboutit à la prédiction de 192 dimensions à partir d'un unique paramètre d'entrée. A une échelle inférieure, un protocole innovant a permis de coupler des informations microstructurales issues d'un μCT avec la forme extérieure des côtes. 2 hémi-thorax ont été micro-scannés afin de générer une cartographie complète des épaisseurs d'os cortical. Une stratégie a été mise en place pour proposer un algorithme prédisant l'intégralité de cette géométrie locale d'après un seul tronçon de côte. La pertinence de cette personnalisation a été évaluée par une étude de sensibilité sur des modèles EF. Les résultats d'essais de traction sur os cortical montrent un comportement différent entre les éprouvettes prélevées sur la table interne ou externe des côtes. Une caractérisation précise de la structure interne de l'os cortical, couplé à des essais de micro-traction in-situ, a pu apporter des éléments de réponse sur cette différence. Unalgorithme de personnalisation a été aussi proposé pour les propriétés mécaniques, complétant ainsi la démarche d'adapter les modèles EF du thorax à chaque individu afin d'améliorer leur biofidélité.

Quatorze microporcs de l'espèce YUCATAN furent opérés de vitrectomie suivie par l'injection de gel de collagène de type quatre, d'origine placentaire humaine, en tant que substitut du vitré. Les yeux gauches furent opérés, les yeux droits servant de témoins. Un suivi fut réalisé chez onze microporcs sur une période : variant de quinze jours à six mois avec études, sous anesthésie générale, clinique, tonométrique, E. R. G. Et histologique. Les trois derniers microporcs servirent à l'étude de la durée de suivie du collagène intra-oculaire. Le gel de collagène humain est apparu dans l'ensemble bien toléré (pas de toxicité rétinienne) mais son élimination a été rapide (environ quinze jours).

La respiration est un phénomène vital qui implique une synergie entre diverses structures anatomiques qui constituent le thorax. La physiologie articulaire reste un parent pauvre de la physiologie et la littérature concernant la quantification de la cinématique 3D des articulations du thorax durant le mouvement respiratoire est rare. Ce travail se concentre sur le développement et l'application d'une méthodologie permettant de répondre à cet objectif. La méthode développée combine le traitement de données tomodensitométriques réalisées à trois volumes pulmonaires différents et des techniques d'infographies. Les amplitudes (ROMs) et axes de mouvements (axe hélicoïdaux moyen, AHMs) ont été obtenus au niveau des articulations costo-vertébrales de 12 sujets asymptomatiques. En résumé, les amplitudes diminuent graduellement dans les étages inférieurs ; le volume pulmonaire et l'étage costal influencent significativement les amplitudes costales ; l'orientation des AHMs ne diffère pas entre les étages costaux. En complément, la méthode a été appliquée pour un échantillon de 10 patients atteints de mucoviscidose. La condition pathologique influençait significativement les amplitudes de mouvements mais pas l'orientation des AHMs. Enfin, le déplacement sternal, les variations de l'angle sternal et la cinématique des articulations sternocostales a été analysée. Les déplacements angulaires des côtes par rapport au sternum diminuaient dans les étages inférieurs comme au niveau des articulations costo-vertébrales. L'orientation des AHMs des articulations sternocostales ne différait pas entre les étages. Une corrélation linéaire a été mise en évidence entre les déplacements verticaux du sternum et les amplitudes de mouvement costales au niveau costo-vertébral et sternocostal. Ce travail contribue de façon substantielle à la modélisation 3D du thorax humain durant le mouvement respiratoire d'un point de vue qualitatif et quantitatif
Breathing is a vital phenomenon that implies synergy of various anatomical structures that constitute the thorax. Joint physiology remains a relatively poorly-known component of the overall thorax physiology. Quantitative literature related to in vivo thorax kinematics during breathing is scarce. The present work focuses specifically on developing and applying a methodology to reach this goal. The developed method combined processing of CT data obtained at different lung volumes and infographic techniques. Detailed ranges of motion (ROMs) and axes of movement (mean helical axes, MHAs) were obtained at costovertebral joints in 12 asymptomatic subjects; rib ROMs gradually decrease with increasing rib number; lung volume and rib level have a significant influence on rib ROM; MHAs did not differ between rib levels. In addition, the method was applied on a sample of 10 patients with cystic fibrosis. The pathological condition significantly influenced CVJ ROMs while the orientation of the MHAs did not differ. Finally, the sternal displacement, sternal angle variations and sternocostal joints (SCJ at rib1 to 7) kinematics during breathing motion were analyzed. Rib ranges of motion relative to sternum decreased with increasing rib number similarly to CVJ. Orientation of the MHAs did not differ between SCJ levels. A significant linear correlation was demonstrated between sternum vertical displacement and rib ranges of motion at both CVJ and SCJ. The present work substantially contributes to 3D modelling of human thorax in breathing at a joint level both qualitatively and quantitatively

Lorsque des vaisseaux autologues ne sont pas disponibles pour faire un pontage, des greffons synthétiques sont utilisés mais avec des taux d’échec élevés. En effet, malgré leurs bonnes propriétés mécaniques, la surface synthétique de ces greffons entraîne de la thrombose et de l’hyperplasie intimale ayant pour conséquence une mauvaise perméabilité du substitut à long terme pour de nombreuses applications. Par ingénierie tissulaire, des greffons vasculaires entièrement biologiques et humains ont déjà été produits par roulage de feuillets de matrice extracellulaire synthétisée par des fibroblastes dermiques humains in vitro. Grâce à une nouvelle méthode d’assemblage basée sur une approche textile, des greffons ont été produits trois fois plus rapidement. Pour ce faire, le feuillet a été découpé en fils afin de permettre la construction d’un substitut vasculaire par tissage. Cette thèse comporte trois articles. Le premier visait à montrer la composition riche de la matrice, décrire l’organisation de son réseau complexe de collagènes et démontrer que la dévitalisation par séchage de la matrice n’a pas affecté significativement cette organisation. Le deuxième avait pour but de décrire les propriétés mécaniques des fils en fonction du torsadage et/ou de l’âge de la matrice ainsi que l’effet sur la force de différents traitements nécessaires au processus de fabrication. Les différentes applications de l’approche textile dans la construction de structures complexes ainsi que les propriétés mécaniques des substituts tissés ont également été évaluées. Le troisième article a montré la faible réponse inflammatoire ainsi que le potentiel d’intégration et de remodelage de la matrice in vivo. Par ailleurs, la décellularisation n’a pas montré de résultats supérieurs à la dévitalisation, permettant ainsi de s’affranchir d’une étape de fabrication supplémentaire et potentiellement délétère à l’organisation biologique de cette matrice. En conclusion, cette thèse constitue la première démonstration de la fabrication de textiles humains mécaniquement très forts mais sans utilisation de matériel exogène. La dévitalisation couplée à l’approche textile ont permis de créer un modèle allogénique plus simple, plus rapide et moins coûteux mais avec un potentiel d’intégration in vivo intact. Ce modèle sera très prochainement étudié par implantation à long terme dans la circulation sanguine
When autologous blood vessels are not available for bypass surgery, synthetic grafts are used but display high failure rates. Indeed, despite their good mechanical properties, their synthetic surface lead to thrombosis and intimal hyperplasia, which cause poor long-term patency in many applications. Using tissue engineering, completely biological and human vascular grafts have been produced by rolling sheets of extracellular matrix synthesized by dermal human fibroblasts in vitro. Using a new assembly technique based on a textile approach, grafts were produced three-time faster. To do so, sheets were cut into yarns to construct vascular substitute by weaving. This manuscript includes three articles. The first one aimed at showing the rich composition of the matrix, describing the organization of its complex network of collagens and demonstrating that the devitalization by drying the matrix did not significantly affect this organization. The second one described the mechanical properties of the yarns depending on the twisting, matrix age or different treatments useful for the manufacturing process. It also demonstrated some of the assembly techniques possible with this human yarn, as well as its possible use as a suture or to build a vascular graft. The third article showed the survival of the yarns subcutaneously implanted for 6 month in nude rats. The implants created little inflammatory response, were mildly remodeled and kept a significant mechanical strength. Decellularization did not show results improvement compared to the simple devitalization, demonstrating that the remaining cellular fragments were not a meaningful activator of the innate immune system. To conclude, this thesis is the first demonstration of the production of human textiles, without using any exogenous material and that are mechanically very strong. Both the devitalization and the textile approach have allowed to create a simpler allogeneic model, faster and cheaper but with an intact potential of integration in vivo, that will be studied very soon with a long-term implantation of the textile in the bloodstream

Cette étude fait partie du domaine de la sécurité secondaire dont le but est de diminuer les conséquences d'un accident routier sur les usagers du véhicule. Cette recherche est une contribution à l'analyse de l'influence des facteurs extérieurs provoquant les lésions sur le mécanisme et la gravité des blessures et à l'estimation de la tolérance du thorax humain lorsqu'il est heurté transversalement dans les conditions similaires à un choc latéral automobile. Dans ces travaux, nous donnons les équations de prédiction du risque de blessure thoracique, en utilisant les résultats d'essais sur cadavres humains au choc latéral. Nous analysons également le mécanisme de blessure par une description mathématique simplifiée des réponses mécaniques. Un nouveau critère de blessure est proposé. Un modèle mathématique paroi/thorax est développé, permettant d'évaluer les influences de la vitesse d'impact et de la rigidité de la surface d'impact. Enfin, nous déterminons des valeurs seuils des réponses mécaniques du mannequin EUROSID, qui correspondent à un certain niveau de risque de blessure
The aim of this research is to diminish the consequences of road accidents for those involved. An analysis is carried out of the external factors influencing the gravity and mechanisms of injury. The tolerance of the human thorax in lateral impact is also estimated with conditions similar to a side impact motor accident

Breathing is a vital phenomenon that implies synergy of various anatomical structures that constitute the thorax. Joint physiology remains a relatively poorly-known component of the overall thorax physiology. Quantitative literature related to in vivo thorax kinematics during breathing is scarce. The present work focuses specifically on developing and applying a methodology to reach this goal. The developed method combined processing of CT data obtained at different lung volumes and infographic techniques. Detailed ranges of motion (ROMs) and axes of movement (mean helical axes, MHAs) were obtained at costovertebral joints in 12 asymptomatic subjects; rib ROMs gradually decrease with increasing rib number; lung volume and rib level have a significant influence on rib ROM; MHAs did not differ between rib levels. In addition, the method was applied on a sample of 10 patients with cystic fibrosis. The pathological condition significantly influenced CVJ ROMs while the orientation of the MHAs did not differ. Finally, the sternal displacement, sternal angle variations and sternocostal joints (SCJ at rib1 to 7) kinematics during breathing motion were analyzed. Rib ranges of motion relative to sternum decreased with increasing rib number similarly to CVJ. Orientation of the MHAs did not differ between SCJ levels. A significant linear correlation was demonstrated between sternum vertical displacement and rib ranges of motion at both CVJ and SCJ. The present work substantially contributes to 3D modelling of human thorax in breathing at a joint level both qualitatively and quantitatively.
Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques (Médecine)
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L'électroporation est une méthode physique utilisant le champ électrique pour perméabiliser transitoirement la membrane plasmique afin de faciliter l'entrée de molécules d'intérêt thérapeutique dans les tissus ciblés. La principale application clinique est l'électrochimiothérapie (ECT), un traitement anticancéreux local utilisé pour traiter les tumeurs primaires et métastases. La seconde application est l'électrotransfert de gène (EGT), une méthode pour introduire des acides nucléiques à l'intérieur des cellules. Enfin, l'électroporation irréversible (IRE) est une méthode utilisée pour tuer les cellules grâce à la perméabilisation permanente des membranes plasmiques. Même si les mécanismes in vitro sont de mieux en mieux compris, l'efficacité in vivo est variable selon le tissu cible. En effet, bien que l'électrotransfert d'ADN soit très efficace in vitro sur des cultures en deux dimensions (2D), il est souvent beaucoup moins efficace in vivo, ce qui limite ses applications cliniques. L'organisation du tissu in vivo est plus complexe que la culture cellulaire in vitro car les cellules développent des jonctions intercellulaires et une matrice extracellulaire (MEC). Des études in vivo ont démontré que la composition de la MEC module la biodistribution de l'ADN dans le tissu et donc l'efficacité de l'électrotransfert de gène. La réponse de la MEC à l'application de champ électrique dans ce processus reste encore à définir afin d'améliorer l'efficacité de cette méthode. Les modèles classiques en 2D ne possèdent pas cette organisation architecturale tridimensionnelle (3D) leur permettant d'être physiologiquement comparable au tissu natif. Afin d'étudier les mécanismes d'électrotransfert d'ADN à l'échelle des tissus, nous avons utilisé un modèle de peau humaine 3D pour imiter et prédire les situations in vivo. Les objectifs de ce travail étaient d'étudier le rôle et la réponse de la MEC cutanée lors de l'électrotransfert de gène à l'échelle du tissu. La première partie de ce projet a été de caractériser la MEC du substitut dermique reconstruit par ingénierie tissulaire. La MEC a été caractérisée par microscopie électronique, coloration histologique et génération de seconde harmonique (SHG). Pour évaluer si ce modèle imite efficacement la réponse in vivo observée lors de l'électroporation, une gamme de voltage utilisant des paramètres électriques ECT ou EGT a été appliquée et la perméabilisation cellulaire ainsi que l'expression du plasmide ont été analysées sur tissu frais. Dans la deuxième partie, nous avons étudié les effets directs et indirects du champ électrique pulsé sur les collagènes fibrillaires.[...]
Electroporation is a physical technique using external electric field application to efficiently deliver therapeutic molecules of interest in targeted tissues. Its principle is based on a transient permeabilization of the plasma membrane, which facilitates the entry of molecules inside the cell. The main clinical application is electrochemotherapy (ECT), a local cancer treatment already used for treatment of primary tumors and metastases. The second medical application of electroporation is gene electrotransfer (GET), which is a method to introduce plasmids inside cells. Electroporation is also a method used to kill cells, through permanent plasma membrane permeabilization, called irreversible electroporation (IRE). Even if the in vitro mechanisms are more and more understood, in vivo effectiveness remains partial, depending on the targeted tissue type. Indeed, although DNA electrotransfer is highly effective for gene delivery on 2D cell culture in vitro, it is often much less efficient in vivo, which leads to a limited use for clinical applications. In vivo tissue organization is more complex than cell culture in vitro since cells develop intercellular junctions and produce extracellular matrix (ECM). The ECM composition was shown in vivo to modulate gene electrotransfer efficiency, so it seems to play a role in the mechanisms governing the biodistribution of DNA in a complex environment. Very little is known about ECM role and response to electric field application in this process. A better understanding of the effects of the electric field on the ECM would improve the efficiency of this method. Classical 2D models used for the study of electroporation do not exhibit this three-dimensional (3D) architectural organization allowing them to be physiologically comparable to native tissue. In order to study DNA electrotransfer mechanisms at tissue scale, we integrate the use of human 3D skin model that helps to mimic and predict in vivo situation. The objectives of this work were to investigate the role and response of cutaneous ECM during gene electrotransfer at tissue scale. The first part of this project was to characterize the ECM content of a 3D reconstructed human dermal substitute produced by tissue engineering. ECM was characterized in this tissue by electron microscopy, histology staining and generation of second harmonic (SHG). To assess if this model can efficiently mimic the in vivo response observed during electroporation, a range voltage using ECT or GET electrical parameters were apply and cell permeabilization as well as plasmid expression were analyzed on fresh tissue by two-photon microscopy. In the second part, we studied direct and indirect effects of pulsed electric field on the fibrillary collagens.[...]

Récemment, l'utilisation de la technique d'assemblage couche par couche de polyélectrolytes naturels a été suggérée comme une nouvelle procédure de modification de surface. Le but de notre travail était de développer des films à base de CHI et de HA fonctionnalisés et réticulés. La biocompatibilité a été évaluée par MEB et visualisation des filaments d'actine. La différenciation endothéliale des CSMs a été suivie par Western Blot. Ensuite, la fonctionnalité des cellules a été évaluée par immunofluorescence du vWF et marquage au Dil-Ac-LDL. Le MEB a montré une morphologie fibroblastique des cellules sur CHI/HA et CHI-SH/HA-Thio. L'analyse par WB des cellules différenciées a montré une augmentation de l'expression de CD31, VEGF-R2 et VE-cadhérine sur CHI-SH/HA-Thio et CHI/HA. Les films CHI-SH/HA-Thio étaient biocompatibles et promouvaient le potentiel de différenciation endothéliale
Recently, the use L-b-L assembly of natural polyelectrolytes has been suggested as a new technique of surface modification. The aim of our work was to develop multilayered films based on CHI and HA polymers bearing chemical. WJ-MSCs were seeded on these substrates. Biocompatibility was assessed by SEM and actin visualization. WJ-MSCs differentiation into endothelial phenotype was followed by western blot. First of all, SEM showed a fibroblastic morphology of adherent cells on CHI/HA and CHI-SH/HA-Thio as for control. WB analysis showed a rise of CD31, VEGF-R2 and VE-cadherin expression on CHI-SH/HA-Thio and CHI/HA. Films CHI-SH/HA-Thio were biocompatible and promoted endothelial differentiation potential

Cette étude aborde le problème de l’aggravation du risque de fractures de côtes chez les automobilistesâgés en choc frontal. L’analyse de la bibliographie fait ressortir que les moyens actuels d’évaluationdu risque de fractures ne permettent pas de prendre en compte les différences anatomiques et depropriétés mécaniques du thorax observées chez les personnes âgées. Les modèles éléments finis (EF)personnalisés du corps humain offrent un grand potentiel en tant qu’outil avancé d’évaluation durisque de blessures. Toutefois, des données expérimentales sont nécessaires pour valider ces modèlesdans des conditions réalistes. De plus, le choix du niveau de personnalisation et la sensibilité de laréponse du modèle à celle-ci doivent être évaluées.Des expérimentations in vivo menés sur des volontaires ceinturés en choc léger, de différents âges etanthropométries, ont été réalisées. Ces tests ont permis d’étudier l’influence de l’âge et de lacorpulence sur la réponse mécanique du thorax et ont permis l’obtention de corridors nécessaires à lavalidation de modèles EF personnalisés. La géométrie du modèle numérique THUMS a été adaptée àcelle des volontaires et les propriétés mécaniques du thorax ont été modifiées au vu du vieillissementpour effectuer une analyse similaire dans le domaine lésionnel. Les simulations numériques ont mis enévidence un risque accru de fracture de côtes pour certains modèles personnalisés.Cette étude devrait permettre de mieux estimer le risque de blessure pour les automobilistesvulnérables. Elle devrait contribuer ainsi à promouvoir les modèles personnalisés du corps humaincomme outil avancé d’évaluation du risque de blessures
This study deals with the topic of increased risk of rib fractures among elderly drivers infrontal impact. The analysis of the literature reveals that actual thorax injury assessment tools do nottake into account for the differences in anatomical features and biological material properties observedbetween adults and elderly. Personalized human body finite element (FE) models have great potentialas improved thorax injury assessment tools. However, experimental data are needed to validate thesemodels under real-world conditions. In addition, the choice of the level of personalization of the modeland the sensibility of the model response to this personalization must be assessed to predict thoracicinjury risk.In vivo sled tests were performed on belted volunteers of various anthropometries and age. These testswere used to assess the influence of age and corpulence on thorax mechanical response and allowed toobtain corridor responses needed to validate personalized FE models. The geometry of the FE modelTHUMS was adapted to the volunteers and the thorax material properties were modified consideringaging to carry out a similar analysis in the injurious domain. Numerical simulations highlighted anincreased risk of rib fractures for specific personalized models.This study should help to better estimate the injury risk for car occupants. It should contribute topromote personalized human body models as attractive thorax injury assessment tool ofvulnerable individuals

Dans le contexte actuel d’attentats et autres conflits armées, le risque lésionnel thoracique par explosion est exacerbé sans que pour autant l’on sache l’efficacité réelle des moyens actuels de protection thoracique individuelle face à une telle menace. Ce travail de thèse, combinant expérimentations et simulations numériques, a traité de front l’ensemble de la chaine physique entre la détonation d’une charge explosive et l’apparition de lésions pulmonaires. Un des premiers objectifs a été de comprendre les différents phénomènes physiques mis en jeu lors de la propagation de l’onde de choc en champ libre. Le large éventail de données expérimentales acquis a permis de développer des outils simples permettant la détermination des caractéristiques de la menace ainsi qu’une approche numérique robuste sous LS-DYNA. L’objectif suivant a été d’étudier l’interaction d’ondes de choc avec des cibles de géométries simples et de compositions différentes. L’analyse des données expérimentales acquises a permis, en plus de la validation numérique de l’interaction fluide-structure et des MEF des structures, de déterminer de possibles candidats pour la définition d’un critère de lésions thoraciques. Enfin, des essais sur réacteurs biologiques post-mortem ont été réalisés, permettant d’obtenir la réponse cinématique du thorax du modèle porcin sous blast. Tout ceci a permis d’aboutir à des voies d’amélioration et à des outils prometteurs pour permettre l’évaluation et l’évolution des systèmes de protection thoracique dans un futur assez proche afin de limiter les risques face à cette menace qui a gagné en importance ces dernières années
With the increasing number of bombing attacks and armed conflicts, the risk of thoracic injuries caused by the blast threat is worsen, without knowing the efficiency of the current individual chest protection systems impacted by such a threat. This research, combining experiments and numerical simulations, dealt with the physics at play from the detonation of an explosive charge and the injury outcomes. One of the first objectives was to understand the different physical phenomena involved in the propagation of the shock wave in the open field. The huge set of data acquired allowed the development of simple tools for the determination of the blast characteristics as well as a robust numerical approach under LS-DYNA. The next objective was to study the interaction of shock waves with targets of simple geometries and different compositions. In addition to the numerical validation of the fluid-structure interaction and of the FEM of the structures, the analysis of the experimental data acquired allowed to determine possible candidates for the definition of a thoracic injury criterion. Finally, tests on biological post-mortem reactors have been carried out, which enabled to obtain the kinematic response of the swine’s thorax under blast. All this work has led to improvements and promising tools for the evaluation and the improvement of chest protection systems in the near future. The proposed tools should be used to limit the risks to this threat which has gained in importance in recent years

Depuis plusieurs décennies, l’évaluation des armes à létalité réduite (ALR) et des gilets pare-balles suscite l’intérêt majeur des forces de l’ordre autour du globe. En effet, ces armes présumées à létalité réduite ou non létales sont tenues d’occasionner uniquement une douleur suffisamment importante à un individu afin d’assurer sa neutralisation. Les gilets pare-balles, quant à eux, doivent garantir un certain niveau de protection pour réduire le risque de traumatismes lié à leur déformation dynamique. Le Centre de Recherche, d’Expertise et d’appui Logistique (CREL) du Ministère de l’Intérieur français a ainsi pour objectif le développement d’un outil de prédiction du risque lésionnel thoracique lors d’impacts balistiques non pénétrants. Cela permettrait alors d’évaluer les performances des ALR et des gilets pare-balles avant leur déploiement en théâtre d’opérations. Plus précisément, cette méthode doit uniquement être fondée sur la mesure directe du processus dynamique de déformation d’un bloc de gel synthétique soumis à un impact balistique. Pour répondre à ce besoin, l’approche numérique est considérée dans ces travaux de thèse par l’emploi du mannequin numérique du thorax humain HUByx comme un outil intermédiaire permettant la détermination de fonctions de transfert entre les mesures expérimentales sur un bloc de gel et le risque lésionnel. La reproduction de conditions d’impact réelles sur HUByx nécessite la caractérisation et la modélisation de projectiles ALR ainsi que de projectiles d’armes à feu et de gilets pare-balles. Elles reposent sur une procédure d’identification par méthode inverse appliquée à l’essai de Taylor pour la modélisation des ALR et à l’essai du cône dynamique d’enfoncement sur le bloc de gel pour celle du couple projectile/gilet pare-balles. Des travaux sont dédiés à la caractérisation mécanique et à la modélisation du gel synthétique sous sollicitations dynamiques. Enfin, une approche statistique basée sur des analyses de corrélation est introduite exploitant à la fois les mesures expérimentales, les données numériques ainsi que les rapports de cas de la littérature. Une cartographie du thorax associée au risque de fractures costales est établie et est uniquement fonction d’une mesure expérimentale
For decades, the assessment of less-lethal weapons (LLW) and bulletproof vests has generated major interest from law enforcement agencies around the world. Indeed, these presumed less-lethal or non-lethal weapons are required to cause only significant pain to an individual to ensure their neutralization. Bulletproof vests, in turn, must provide a certain level of protection to reduce the risk of trauma related to their dynamic deformation. The Center for Research, Expertise and Logistics Support (CREL) of the French Ministry of the Interior aims to develop a tool to predict thoracic injury risk during non-penetrating ballistic impacts. It would therefore be possible to evaluate the performance of LLW and bulletproof vests before their deployment in operations. More precisely, this method must only be based on the direct measurement of the dynamic process of deformation of a synthetic gel block subjected to a ballistic impact. To address that issue, the numerical approach is considered in this thesis by the use of the human thorax dummy HUByx as an intermediate tool for the determination of transfer functions between experimental metrics on a gel block and the risk of injury. The reproduction of real impact conditions on HUByx thus requires the characterization and modeling of less-lethal projectiles as well as projectiles of firearms and bulletproof vests. They rely on an inverse method identification procedure applied to the Taylor test for modeling LLW and on the analysis of blunt impacts on the gel block for projectiles/bulletproof vests. Work is then dedicated to the mechanical characterization and modeling of the synthetic gel under dynamic loadings. Finally, a statistical approach based on correlation analyses is introduced using both experimental measurements, numerical data as well as case reports from the literature. A thorax mapping associated with the risk of rib fractures is established and only depends on an experimental metric

La sécurité routière est un enjeu majeur de santé publique et de protection des personnes. D'après l'organisation mondiale de la santé (OMS), près de 1,2 millions de personnes meurent chaque année dans le monde suite à des accidents de la route (2015). D’après des données accidentologiques, 36,7% des blessures graves ont pour origine des lésions au thorax (Page et collab., 2012). La biomécanique en sécurité passive a pour rôle d'améliorer notre compréhension du corps humain dans le but de construire de meilleurs outils pour évaluer le risque de blessure.Les modèles numériques d'être humain sont employés pour simuler virtuellement les conditions d'un accident. Aujourd'hui, ils sont de plus en plus utilisés par les constructeurs automobiles et équipementiers pour mieux comprendre les mécanismes lésionnels. Cependant, ils n’existent que dans certaines tailles et ne prennent alors pas en compte les variations morphologiques observées dans la population.L'imagerie médicale 3D donne accès aux géométries des différentes structures anatomiques composant le corps humain. Les hôpitaux regorgent aujourd'hui de quantités d'images 3D couvrant une très large partie de la population en termes d'âge, de corpulence et de sexe.L’objectif global de cette thèse est de modéliser statistiquement la géométrie 3D de la cage thoracique à partir d'images médicales afin de personnaliser un modèle numérique de corps humain pour simuler par éléments finis des conditions de choc automobile. Le premier objectif est d’élaborer un protocole de segmentation une base de CT-scans de manière à obtenir des données géométriques adaptées à la construction d’un modèle statistique de forme de la cage thoracique.Le deuxième objectif est de construire un modèle statistique de forme de la cage thoracique, en prenant en compte sa structure articulée.Le troisième objectif est d’utiliser le modèle statistique de la cage thoracique pour déformer un modèle numérique d’être humain, de manière à étudier l’influence de certains paramètres sur le risque de blessure
Road safety is a major issue of public health and personal safety. According to the World Health Organization (WHO), nearly 1.2 million people die each year worldwide due to road accidents (2015). According to accident data, 36.7% of serious injuries are caused by thoracic injuries (Page et al., 2012). The aim of biomechanics in passive safety is to improve our understanding of the human body in order to build better tools for assessing the risk of injury.Numerical human body models are used to virtually simulate the conditions of an accident. Today, they are increasingly used by car manufacturers and equipment manufacturers to better understand injury mechanisms. However, they exist only in few sizes and do not take into account the morphological variations observed in the population.3D medical imaging gives access to the geometries of the different anatomical structures that make up the human body. Today, hospitals are full of 3D images covering a very large part of the population in terms of age, body size and sex.The overall objective of this thesis is to statistically model the 3D geometry of the rib cage from medical images in order to personalize a numerical human body model to simulate car crash conditions.The first objective is to develop a segmentation process based on CT-scans in order to obtain geometric data adapted to the construction of a statistical model of shape of the rib cage.The second objective is to build a statistical model of the shape of the rib cage, taking into account its articulated structure.The third objective is to use the statistical model of the rib cage to deform a numerical human body model, in order to study the influence of certain parameters on the risk of injury

Depuis plus d’une cinquantaine d’années, de formidables avancées ont été initiées dans le domaine de l’ingénierie tissulaire cutanée menant à la reconstruction in vitro de substituts de peau. La plupart sont des substituts dermiques destinés à être utilisés comme aide à la cicatrisation des plaies aigües et chroniques en complément des traitements de greffes conventionnels ainsi que pour l’augmentation des tissus mous. Bien qu’un nombre croissant de patients aient pu bénéficier de ces matrices dermiques, leur application clinique reste encore restreinte, en raison de leur coût élevé mais également à cause de résultats cicatriciels parfois peu satisfaisants. Par conséquent, il reste un défi de taille, celui de développer des substituts dermiques stimulant activement la cicatrisation, présentant un faible coût de production, sans propriétés antigéniques et possédant des propriétés mécaniques adaptées. Dans ce cadre, les hydrogels à base de fibrine constituent des candidats prometteurs, en particulier en raison du rôle central de cette protéine dans la cicatrisation. Le principal inconvénient est qu’à concentration physiologique, ces hydrogels sont faibles mécaniquement, ce qui les rend difficilement manipulables. L’objectif de cette thèse a été la mise au point ainsi que la caractérisation de différents hydrogels destinés à être utilisés comme substituts dermiques. Ces derniers présentent l’avantage d’associer les propriétés biologiques de la fibrine avec les propriétés mécaniques d’un polymère synthétique, le polyéthylène glycol dans une architecture de réseaux interpénétrés de polymères (RIP). Les résultats obtenus ont permis : - de confirmer les propriétés physico-chimiques des RIP développés initialement par nos collaborateurs de l’université de Cergy-Pontoise, - de valider en trois étapes (in vitro, ex vivo puis in vivo) la biocompatibilité de ces nouvelles matrices, destinées à être utilisées comme supports de culture 2D et pour l’augmentation des tissus mous, - d’élaborer et de caractériser des matrices macroporeuses, optimisées pour la culture 3D de fibroblastes de dermes humains
Over the past five decades, we assisted in extraordinary advances in the field of skin tissue engineering which led to the in vitro reconstruction of a wide range of skin substitutes. Most of them are dermal substitutes: Their clinical application ranges from treating acute and chronic wounds to soft tissue augmentation. Although increasing numbers of patients have been treated with dermal substitutes, their clinical application has been limited by their substantial cost and some poor healing outcomes. Hence, there is still a challenge to produce a dermal substitute which enhance sufficiently wound healing. To this end, the substitute should exhibit suitable properties for enabling the repair process. Other requirements such as excellent biocompatibility, minimal antigenicity, ease to handle and cost-effective production are also essential. In this context, fibrin hydrogels constitute promising candidates for skin tissue engineering since fibrin fibers form a physiological and provisional backbone during wound healing. However, the poor mechanical properties of fibrin-based hydrogels at physiological concentration are an obstacle to their use. In this study, our aim was to design and characterize mechanically reinforced fibrin-based hydrogels by combining the intrinsic properties of a fibrin network with the mechanical features of a polyethylene glycol network using an interpenetrating polymer network (IPN) architecture. They are intended to be used as dermal scaffolds. The results obtained in this thesis: - Confirmed the suitable physico-chemical properties of IPN, first developed by our partner of the University of Cergy-Pontoise. - Validated their biocompatibility using a three-step approach (in vitro, ex vivo and in vivo assays). - Led to the synthesis and characterization of a new type of fibrin-based macroporous matrices, optimized for 3D dermal fibroblast culture

Cette étude aborde le problème de l’aggravation du risque de fractures de côtes chez les automobilistes âgés en choc frontal. L’analyse de la bibliographie fait ressortir que les moyens actuels d’évaluation du risque de fractures ne permettent pas de prendre en compte les différences anatomiques et de propriétés mécaniques du thorax observées chez les personnes âgées. Les modèles éléments finis (EF) personnalisés du corps humain offrent un grand potentiel en tant qu’outil avancé d’évaluation du risque de blessures. Toutefois, des données expérimentales sont nécessaires pour valider ces modèles dans des conditions réalistes. De plus, le choix du niveau de personnalisation et la sensibilité de la réponse du modèle à celle-ci doivent être évaluées. Des expérimentations in vivo menés sur des volontaires ceinturés en choc léger, de différents âges et anthropométries, ont été réalisées. Ces tests ont permis d’étudier l’influence de l’âge et de la corpulence sur la réponse mécanique du thorax et ont permis l’obtention de corridors nécessaires à la validation de modèles EF personnalisés. La géométrie du modèle numérique THUMS a été adaptée à celle des volontaires et les propriétés mécaniques du thorax ont été modifiées au vu du vieillissement pour effectuer une analyse similaire dans le domaine lésionnel. Les simulations numériques ont mis en évidence un risque accru de fracture de côtes pour certains modèles personnalisés. Cette étude devrait permettre de mieux estimer le risque de blessure pour les automobilistes vulnérables. Elle devrait contribuer ainsi à promouvoir les modèles personnalisés du corps humain comme outil avancé d’évaluation du risque de blessures.