Dissertations / Theses: '3D cellular structures'

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Sangle, Sagar Dilip. "Design and Testing of Scalable 3D-Printed Cellular Structures Optimized for Energy Absorption." Wright State University / OhioLINK, 2017. http://rave.ohiolink.edu/etdc/view?acc_num=wright1495467365594915.

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Chu, Chen. "Design synthesis for morphing 3D meso-scale structure." Thesis, Georgia Institute of Technology, 2009. http://hdl.handle.net/1853/34676.

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Abstract:

Rapid prototyping (RP) can be used to make complex shapes with very little or even no constraint on the form of the parts. New design methods are needed for parts that can take advantage of the unique capabilities of RP. Although current synthesis methods can successfully solve simple design problems, practical applications with thousands to millions elements are prohibitive to generate solution for. Two factors are considered. One is the number of design variables; the other is the optimization method. To reduce the number of design variables, parametric approach is introduced. Control diameters are used to control all strut size across the entire structure by utilizing a concept similar to control vertices and Bezier surface. This operation allows the number of design variables to change from the number of elements to a small set of coefficients. In lattice structure design, global optimization methods are popular and widely used. These methods use heuristic strategies to search the design space and thus perform, as oppose to traditional mathematical programming (MP) methods, a better global search. This work propose that although traditional MP methods find local optimum near starting point, given a quick convergence rate, it will be more efficient to perform such method multiple times to integrate global search than using a global optimization method. Particle Swarm Optimization and Levenburg-Marquardt are chosen to perform the experiments.

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Goel, Archak. "Design of Functionally Graded BCC Type Lattice Structures Using B-spline Surfaces for Additive Manufacturing." University of Cincinnati / OhioLINK, 2019. http://rave.ohiolink.edu/etdc/view?acc_num=ucin1552398559313737.

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Jorapur, Nikhil Sudhindrarao. "Design, Fabrication and Testing of Fiber-Reinforced Cellular Structures with Tensegrity Behavior using 3D Printed Sand Molds." Thesis, Virginia Tech, 2017. http://hdl.handle.net/10919/84531.

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Abstract:

The overall goal of this work is to improve the structural performance of cellular structures in bending applications by incorporating tensegrity behavior using long continuous fibers. The designs are inspired by the hierarchical cellular structure composition present in pomelo fruit and the structural behavior of tensegrity structures. A design method for analyzing and predicting the behavior of the structures is presented. A novel manufacturing method is developed to produce the cellular structures with tensegrity behavior through the combination additive manufacturing and metal casting techniques. Tensegrity structures provide high stiffness to mass ratio with all the comprising elements experiencing either tension or compression. This research investigates the possibility of integrating tensegrity behavior with cellular structure mechanics and provides a design procedure in this process. The placement of fibers in an octet cellular structure was determined such that tensegrity behavior was achieved. Furthermore, using finite element analysis the bending performance was evaluated and the influence of fibers was measured using the models. The overall decrease in bending stress was 66.6 %. Extending this analysis, a design strategy was established to help designers in selecting fiber diameter based on the dimensions and material properties such that the deflection of the overall structure can be controlled. This research looks to Additive Manufacturing (AM) as a means to introduce tensegrity behavior in cellular structures. By combining Binder Jetting and metal casting a controlled reliable process is shown to produce aluminum octet-cellular structures with embedded fibers. 3D-printed sand molds embedded with long continuous fibers were used for metal casting. The fabricated structures were then subjected to 4 point bending tests to evaluate the effects of tensegrity behavior on the cellular mechanics. Through this fabrication and testing process, this work addresses the gap of evaluating the performance of tensegrity behavior. The overall strength increase by 30%. The simulation and experimental results were then compared to show the predictability of this process with errors of 2% for octet structures without fibers and 6% for octet structures with fibers.
Master of Science

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Carozzani, Tommy. "Développement d'un modèle 3D Automate Cellulaire-Éléments Finis (CAFE) parallèle pour la prédiction de structures de grains lors de la solidification d'alliages métalliques." Phd thesis, Ecole Nationale Supérieure des Mines de Paris, 2012. http://pastel.archives-ouvertes.fr/pastel-00803282.

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Abstract:

La formation de la structure de grains dans les métaux pendant la solidification est déterminante pour les propriétés mécaniques et électroniques des pièces coulées. En plus de la texture donnée au matériau, la germination et la croissance des grains sont liées en particulier avec la formation des phases thermodynamiques et les inhomogénéités en composition d'éléments d'alliage. La structure de grains est rarement modélisée à l'échelle macroscopique, d'autant plus que l'approximation 2D est très souvent injustifiée. Dans ces travaux, la germination et la croissance de chaque grain individuel sont suivies avec un modèle macroscopique 3D CAFE. La microstructure interne des grains n'est pas explicitement résolue. Pour valider les approximations faites sur cette microstructure, une comparaison directe avec un modèle microscopique "champ de phase" a été réalisée. Celle-ci a permis de valider les hypothèses de construction du modèle CAFE, de mettre en avant le lien entre données calculées par les modèles microscopiques et paramètres d'entrée des modèles à plus grande échelle, et les domaines de validité de chaque modèle. Dans un deuxième temps, un couplage avec la ségrégation chimique et les bases de données thermodynamiques a été mise en place et appliquée sur un alliage binaire étain-plomb. Une expérience de macroségrégation par convection naturelle a été simulée. L'accord entre les courbes de température expérimentales et simulées atteint une précision de l'ordre de 1K, et la recalescence est correctement prédite. Les cartes de compositions sont comparables qualitativement, ainsi que la structure de grains. Les avantages du suivi de la structure ont été mis en évidence par rapport à une simulation par éléments finis classique. De plus, il a été montré que le calcul 3D était ici indispensable. Enfin, une implémentation parallèle optimisée du code a permis d'appliquer le modèle CAFE à un lingot de silicium polycristallin industriel de dimensions 0,192 x 0,192 x 2,08m, avec une taille de cellules de 250µm. Au total, 4,9 milliards de cellules sont représentées sur le domaine, et la germination et la croissance de 1,6 million de grains sont suivies.

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Pineau, Adrian. "Modélisation 3D de structures de grains par une approche automate cellulaire. Application à la compétition de croissance dendritique et à la cristallisation du silicium polycristallin." Thesis, Paris Sciences et Lettres (ComUE), 2019. http://www.theses.fr/2019PSLEM042.

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Abstract:

Les structures de grains résultantes des procédés de solidification influencent fortement les propriétés d'une pièce industrielle. Ceci est notamment le cas pour les propriétés mécaniques des pièces de fonderie en alliage métallique, ou les propriétés électriques des cellules photovoltaïque de silicium. L'approche CA-FE (Cellular Automaton - Finite Elements) permet de modéliser l'évolution des structures de grains dans les procédés de solidification à l'échelle macroscopique, mais nécessite des approximations aux échelles plus fines. Dans ce travail deux axes d'étude sont proposés. Premièrement, des simulations CA de compétition de croissance entre grains colonnaires sont réalisées pour un alliage de succinonitrile-0,4%pds acétone. Ceci est effectué en déterminant l'angle de joint grains en solidification dirigé. Ce travail est comparé à une étude champ de phase visant à étudier la relation entre orientations cristallographiques des grains en compétition et orientation de leur frontière. Les résultats obtenus avec l'approche CA sont très proches des résultats champ de phase pour un intervalle de taille de cellule centré autour de la marche maximale entre deux pointes de dendrites stationnaires de deux grains en compétition. La configuration d'Esaka, correspondant à une compétition de croissance dans un alliage de succinonitrile-1,3%pds acétone, a aussi été étudiée par l'approche CA. Le travail sur la croissance du silicium polycristallin a été réalisé dans le cadre du projet ANR CrySaLID. La méthode CA a été enrichie afin de permettre la modélisation de la croissance d'interfaces facettées et de la germination de grains en relation de macle sur ces interfaces. Ces développement utilisent des approches géométriques qui se basent sur des observations expérimentales in situ et ex situ. Le modèle résultant a été confronté expérimentalement et donne de bons accords qualitatif et quantitatif. Finalement, le modèle est appliqué à un cube de dimensions centimétriques. Il a été montré que les spécificités liées à la croissance du silicium polycristallin, à savoir la formation de facettes et la germination de grains en relation de macle, modifient drastiquement la structure de grains en comparaison avec une microstructure dendritique
Grains structures obtained during solidification processes strongly influence the properties of technical products. It is specially the case for cast parts in metallic alloys, or for silicon photovoltaic cells. The CA-FE (Cellular Automaton - Finite Elements) method aims to model grain structure evolution during solidification at a macroscopic scale, but also requires approximations at smaller scales. In this work, two distinct studies are proposed. First, CA simulations of growth competition among columnar dendritic grains are carried out for a succinonitrile-0.4 wt% acetone alloy. This is achieved by computing the grain goundary orientation during directional solidification. Comparisons are subsequently conducted with recent phase field results derived under the same conditions. An excellent agreement is found with phase field simulations results within arange of intermediate cell size centered around the maximum step between primary stationary dendrite tips of the two competing grains. The Esaka configuration, corresponding to a dendritic growth competition for a succinonitrile-1.3 wt% acetone alloy, is also studied. Polycristalline silicon growth was investigated within the ANR CrySaLID project. The CA method was enriched to allow facets growth and grains in twin relationship modeling. These developements use a geometrical approach based on in situ and ex situ experimental observations. The resulting numerical model was applied to experimental configurations and good qualitative and quantitative agreements were found. Simulations over a cubic and centimetric domain were lastly conducted. It was found that facets growth and twin nucleations strongly modify the grains structure compared to a dendritic microstructrure

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Baux, Anthony. "Synthèse de matériaux alvéolaires base carbures par transformation d'architectures carbonées ou céramiques par RCVD/CVD : application aux récepteurs solaires volumiques." Thesis, Bordeaux, 2018. http://www.theses.fr/2018BORD0193/document.

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Abstract:

L’objectif était de concevoir et réaliser des architectures alvéolaires performantes pour les récepteurs solaires volumétriques des futures centrales thermodynamiques. Trois stratégies différentes sont envisagées pour l’ébauche des préformes carbones ou céramiques : (i) la synthèse de matériaux biomorphiques issus de la découpe de balsa, (ii) l’élaboration de structures céramiques par projection de liant et (iii) la réplication de structures polymères réalisées par impression 3D, à l’aide d’une résine précurseur de carbone ou céramique. Dans tous les cas, les préformes crues sont converties par pyrolyse en C ou SiC et une étape d’infiltration/revêtement de SiC par CVD (Chemical Vapor Deposition) achève la fabrication des structures céramiques. Une étape intermédiaire de RCVD (Reactive CVD) a été mise en œuvre au cours de la première voie, afin de convertir la structure carbonée microporeuse en TiC. La composition, la microstructure et l’architecture poreuse des structures céramiques ont tout d’abord été caractérisées. Les caractéristiques des matériaux les plus pertinentes, compte tenu de l’application en tant qu’absorbeur solaire, ont ensuite été examinées. Les propriétés thermomécaniques et la résistance à l’oxydation ont ainsi été caractérisées en priorité. La perméabilité et les propriétés thermo-radiatives, qui sont également deux facteurs importants pour l’application, ont également été considérées
The aim is to design and create efficient cellular architectures for volumetric solar receivers used in the future thermodynamic power plants. Three strategies are considered for the creation of ceramic or carbon preforms: (i) the synthesis of biomorphic materials resulting from the cutting of balsa, (ii) the elaboration of ceramic structures by binder jetting and (iii) the replication of polymer structures made by 3D printing, using a carbon or ceramic precursor resin. In all cases, the green preforms are converted by pyrolysis to C or SiC and an infiltration step / SiC coating by CVD (Chemical Vapor Deposition) completes the manufacture of ceramic structures. An intermediate stage of RCVD (Reactive CVD) was implemented during the first strategy, in order to convert the microporous carbonaceous structure into TiC. The composition, the microstructure and the porous architecture of the ceramic structures were first characterized. The characteristics of the most relevant materials, considering the application as a solar receiver, were then examined. The thermomechanical properties and the oxidation resistance have thus been characterized in priority. Permeability and thermo-radiative properties, which are also two important factors for application, were also considered

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Bresteau, Enzo. "Adhesive Clathrin Structures Support 3D Haptotaxis Through Local Force Transmission." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2019. http://www.theses.fr/2019SACLS546.

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Abstract:

La migration cellulaire est un processus fondamental au maintien des fonctions physiologiques de l’organisme. Elle est également centrale dans de nombreuses pathologies et entre notamment en jeu lors de la dissémination métastatique. Lorsqu’elles migrent, les cellules utilisent des structures d’adhésion afin de s’appuyer sur leur environnement. Nous avons récemment montré que les puits recouverts de clathrine, plus connus pour leur rôle dans l’endocytose, peuvent également servir de structures d’adhésion. Dans ce manuscrit, je démontre que certains ligands internalisés par la voie d’endocytose clathrine peuvent également se lier à la matrice et orienter la migration cellulaire en régulant les structures adhésives de clathrine.J’ai commencé par montrer que le collagène est associé à plus de structures de clathrine et a plus de protrusions lorsqu’il est recouvert par des ligands. J’ai ensuite montré que les cellules appliquaient plus de forces sur des fibres de collagènes décorées par des ligands et que ce surplus de force nécessite la présence de structures de clathrine. Enfin j’ai montré que les cellules suivent les ligands liés à des réseaux de collagène en 3D et que cette migration dirigée nécessite également la présence de structures de clathrine. Ce mécanisme de migration pourrait notamment permettre aux cellules de suivre des gradients de ligands liés à la matrice in vivo et ainsi de s’orienter dans l’organisme
Cell migration is a fundamental process in the development and homeostasis of multicellular organisms. It is also central to many pathologies and it is especially important for metastatic dissemination. When migrating, cells use adhesion structures to push on their substrate in order to move forward. We recently showed that clathrin coated structures, primarily known as endocytic structures, can also serve as adhesion structures. In this manuscript, I show that some ligands internalized through clathrin mediated endocytosis can also bind to the extracellular matrix and orient cell migration using adhesive clathrin structures.I first showed that ligand-decorated collagen fibers are associated with more clathrin structures and more protrusions. I then showed that cells applied more forces to the ligand-decorated collagen fibers and this extra amount of forces requires the presence of clathrin structures. Finally, I showed that cells can migrate following collagen-bound ligands in 3D, this directed migration also requiring the presence of clathrin structures. Such migration mechanism could be used by cells to follow in vivo gradient of matrix-bound ligands and thus find their way when migrating inside the body

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Pietrzyk-Nivau, Audrey. "Génération de plaquettes in vitro à partir de cellules souches hématopoïétiques." Thesis, Paris 5, 2014. http://www.theses.fr/2014PA05P626/document.

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Abstract:

La mégacaryopoïèse représente le processus de différenciation des cellules souches hématopoïétiques (CSH) en mégacaryocytes (MK). Ce processus précède la thrombopoïèse qui aboutira à la formation des plaquettes sanguines. Ces processus complexes ont lieu 1) au sein de la structure tridimensionnelle (3D) de la moelle osseuse, 2) dans les vaisseaux sinusoïdes de la moelle et 3) dans la circulation sanguine. Le but général de ce travail a été de comprendre le mécanisme de chaque étape. Le premier objectif a été d’étudier les effets d’une structure poreuse 3D mimant celle de la moelle osseuse, sur la différenciation mégacaryocytaire et la production plaquettaire in vitro. Cette étude a permis de démontrer que la synergie entre l’organisation spatiale et les signaux du microenvironnement améliore la production en MK et en plaquettes. Par la suite, nous avons souhaité caractériser in vitro et in vivo les plaquettes produites en conditions de flux. Nous avons notamment mis en évidence la capacité des plaquettes produites in vitro dans un système de microfluidique, à s’incorporer et à participer à la formation d’un thrombus in vitro et in vivo contrairement aux plaquettes obtenues en statique. Ces travaux prouvent donc l’intérêt d’une part, de mimer le microenvironnement de la moelle osseuse et d’autre part, de reproduire les forces de cisaillement du sang afin d’améliorer et d’augmenter la production de plaquettes in vitro pour de futures applications en thérapeutique
Megakaryopoiesis is a process allowing hematopoietic stem cell (HSC) to proliferate and differentiate into megakaryocytes (MK). It is followed by thrombopoiesis allowing blood platelet production. These processes occur 1) in the bone marrow three-dimensional (3D) structure, 2) in the bone marrow sinusoid vessels and 3) in the blood flow. Our general aim was to decipher the mechanism associated to each process. The first objective was to study the effects of porous 3D structure on MK differentiation and platelet production. This study demonstrated that the synergy between spatial organization and biological cues improved MK and platelet production. We also characterized platelets produced from mature MK in flow conditions, with respect to their in vitro and in vivo properties. We highlighted the capacity of flow-derived platelets to incorporate in a thrombus in vitro and in vivo, compared to static-derived platelets. These works represent some new developments for mimicking the bone marrow structure and to reproduce blood shear forces in order to improve and increase in vitro platelet production for therapeutic use

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UREÑA, MARTÍN Carlos. "Study of Caveolae Mechanotransduction Under 3D Compressive Stresses : Comparative Analysis of 2 Models Mimicking Structural and Mechanical Tumor Characteristics." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2019. http://www.theses.fr/2019SACLS525.

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Abstract:

La mécanique et le stress compressif jouent un rôle important dans la progression tumorale. Récemment, plusieurs approches ont été développées pour tester le stress en compression dans des modèles 3D in vitro. Dans le présent travail, nous montrons d’abord la pertinence de la compression dans l’organisation des fibroblastes associés au cancer (CAF), en enveloppant les cellules cancéreuses lors d’une compression isotrope 3D dans des capsules d’alginate creux. Dans ce système, les CAF couvrent les cellules cancéreuses en présence de compression selon un processus impliquant vraisemblablement une réorganisation du dépôt de fibronectine et non un réarrangement passif des deux sphéroïdes. Dans la deuxième partie de ce travail, nous avons étudié la réaction des composants de la cavéole au stress en compression.Les cavéoles sont des invaginations de la membrane plasmique capables d'amortir la tension de la membrane, protégeant ainsi la cellule de son éclatement. Nous montrons ici comment les cavéoles réduisent leur présence lors de la compression3D à court terme et comment cette compression inhibe l'activation de STAT1 et STAT3 induite par l'interféron. De plus, les effets à long terme des contraintes de compression sur les sphéroïdes entraînent également la perte du composant cavéole EHD2, une ATPase centrale pour la stabilité des cavéoles sur la membrane. Enfin, nous avons trouvé différentes voies avec une transcription modifiée du gène après un stress compressif. Parmi eux, nous avons caractérisé l'effet de la perte decavéoline-1 sur la libération d'exosomes sous compression 3D
Mechanics and compressive stress play an important role in tumor progression. Recently, several approaches have been developed to test compressive stress in 3D in vitro models. In the present work, we first show the relevance of compression in the organization of cancer associated fibroblasts (CAFs), enwrapping cancer cells upon 3D isotropic compression in capsules of hollow alginate. In this system, CAFs cover cancer cells in the presence of compression by a process which most likely involves fibronectin deposition reorganization, and not a passive rearrangement of the two spheroids. In the second part of this work, we investigated the response of caveolae components to compressive stress. Caveolae are plasma membrane invaginations which are able to buffer membrane tension, thus protecting the cell from bursting. Here, we show how caveolae reduce their presence under 3D short term compression, and how this compression inhibits interferon induced STAT1 and STAT3 activation. Moreover, long term effects of compressive stress in spheroids result also in loss of the caveolae component EHD2, acentral ATPase for caveolae stability on the membrane. Lastly, we found different pathways with altered gene transcription after compressive stress. Among them, we characterized the effect of caveolin-1 loss on the release of exosomes under 3Dcompression

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Chen, Shijia. "Modélisation tridimensionnelle Automate Cellulaire - Éléments Finis (CAFE) pour la simulation du développement des structures de grains dans les procédés de soudage GTAW / GMAW." Phd thesis, Ecole Nationale Supérieure des Mines de Paris, 2014. http://pastel.archives-ouvertes.fr/pastel-01038028.

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Abstract:

Le développement des structures de grains se formant durant les procédés de soudage par fusion a un large impact sur les propriétés et la résistance mécaniques des assemblages. Des défauts, tels que la fissuration à chaud, sont aussi liés à la texturation de grains propre à l'étape de solidification. La simulation directe du développement tri-dimensionnelle (3D) des structures de grains dans ces procédés, à l'échelle industrielle, est rarement proposée. Dans ce travail, une modélisation couplée 3D Automate Cellulaire (CA) - Eléments Finis (FE) est proposée pour prédire la formation des structures de grains dans les procédés de soudage multipasses GTAW (Gas Metal Arc Welding) et GMAW (Gas Metal Arc Welding). A l'échelle macroscopique, la modélisation FE permet la résolution des équations de conservation de la masse, de l'énergie et de la quantité de mouvement pour l'ensemble du domaine en s'appuyant sur un maillage adaptatif. Pour le procédé GMAW avec apport de matière, le modèle FE est enrichi et développé dans une approche level set (LS) afin de modéliser l'évolution de l'interface métal / air due au développement du cordon de soudure. Le domaine FE contient ainsi la pièce étudiée et l'air environnant dans lequel le cordon se développe. Les calculs FE sont couplés avec l'approche CA utilisée pour modéliser le développement de la structure de grains. Un maillage fixe ('maillage CA') est superposé au maillage adaptatif FE ('maillage FE'). Les champs macroscopiques propres au maillage FE sont ainsi interpolés entre le maillage adaptatif FE et le maillage fixe CA. Une nouvelle stratégie d'allocation / désallocation de la grille de cellules CA est ensuite utilisée basée sur l'allocation / désallocation des éléments du maillage CA. La grille CA est constituée d'un ensemble régulier de cellules cubiques superposées au domaine soudée. A l'échelle micro-, la grille est utilisée afin de simuler les étapes de fusion et solidification, à la frontière entre le domaine pâteux et le bain liquide, durant le processus de soudage. Les évolutions de températures des cellules sont définies par interpolation du maillage CA. Un couplage du modèle avec les chemins de solidification et les évolutions enthalpiques tabulés est aussi implémenté, permettant de suivre la thermique et les évolutions de fractions de phase propre à l'évolution du procédé. Avec de réduire les temps de calcul et la quantité de mémoire informatique nécessaire à ces simulations, une optimisation des maillages FE/CA et des tailles de cellules CA est proposée pour les deux approches FE et CA. La modélisation 3D proposée est appliquée à la simulation de la formation des structures de solidification formées durant le soudage GTAW et GMAW multipasses de pièces d'acier inoxydables de nuances UR 2202. Dans le procédé GTAW, l'influence de l'évolution des structures de grains selon les paramètres procédés est étudiée. L'orientation normale des grains avec l'augmentation de la vitesse de soudage est montrée. Dans le procédé GMAW, la modélisation permet de simuler la refusion et la croissance des grains des couches successives. De manière générale, les structures de grains prédites montrent qualitativement les évolutions attendues présentées dans la littérature.

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Das, Pritam. "Membrane micro-structurée utilisable comme support au développement de cellule humaine : développement, caractérisation et interaction cellule-matrice." Thesis, Toulouse 3, 2018. http://www.theses.fr/2018TOU30282/document.

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Abstract:

Les matériaux à structure tridimensionnelle laissent entrevoir de nombreuses applications prometteuses dans le domaine de l'ingénierie tissulaire et de la médecine régénérative en fournissant un micro-environnement approprié pour l'incorporation de cellules ou de facteurs de croissance afin de régénérer des tissus ou organes endommagés. Dans ce contexte, une membrane a été élaborée à partir d'un mélange de poly (ε-caprolactone) PCL / chitosan CHT à partir d'une technique d'inversion de phase permettant un apport localisé de non solvent. La technique permet d'obtenir une double morphologie poreuse : (i) des macrovides en surface (gros pores) facilement accessibles pour l'invasion et la viabilité des cellules; (ii) un réseau macroporeux interconnecté (petits pores) pour transférer les nutriments, l'oxygène, le facteur de croissance à travers le matériau. Les propriétés physico-chimiques (taille des pores, chimie de surface et biodégradabilité) des matériaux ont été caractérisées. Il est montré comment il est possible d'ajuster les propriétés de la membrane en modifiant le rapport PCL / CHT. Des cultures de cellules souches mésenchymateuses humaines (CSMh) ont été réalisées sur la membrane. La viabilité et la prolifération cellulaires ont été étudiées par des essais de test au MTT et de taux d'absorption d'oxygène. Les expériences démontrent que la membrane est biocompatible et peut être colonisée par les cellules. La microscopie confocale montre que les cellules sont capables de pénétrer à l'intérieur des macrovides de la membrane. La prolifération cellulaire de CSM dans ce matériau pourrait être utile pour augmenter la longévité d'autres cellules primaires en modifiant les CSM pour produire des facteurs de croissance. Pour tester le comportement dynamique des cellules sur la membrane, un dispositif d'organe sur puce a été développé avec des cellules endothéliales ombilicales humaines ensemencées sur la membrane. Les résistances hydrauliques de la barrière cellulaire sur la membrane ont été quantifiées en temps réel pour une pression trans-endothéliale (PTE), 20 cm H2O à 37 ° C et avec des cellules vivantes après 1 jour et 3 jours après l'ensemencement. Les résultats suggèrent que ce type d'échafaudages polymères peut être utile à l'avenir comme patch in vivo pour réparer des vaisseaux endommagés
Over the last decades, three-dimensional (3D) scaffolds are unfolding many promising applications in tissue engineering and regenerative medicine field by providing suitable microenvironment for the incorporation of cells or growth factors to regenerate damaged tissues or organs. The three-dimensional polymeric porous scaffolds with higher porosities having homogeneous interconnected pore network are highly useful for tissue engineering. In this context, a poly (ε- caprolactone) PCL/chitosan CHT blend membrane with a double porous morphology was developed by modified liquid induced phase inversion technique. The membrane shows: (i) surface macrovoids (big pores) which could be easily accessible for cells invasion and viability; (ii) interconnected microporous (small pores) network to transfer essential nutrients, oxygen, growth factors between the macrovoids and throughout the scaffolds. The physico-chemical properties (pore size, surface chemistry and biodegradability) of the materials have been characterized. This study shows how it is possible to tune the membrane properties by changing the PCL/CHT ratio. Human mesenchymal stem cell (hMSCs) culture was performed on the membranes and the cell viability and proliferation was investigated by MTT assay and oxygen uptake rate experiments. The experiments demonstrate that the membranes are biocompatible and can be colonized by the cells at micron scale. Confocal microscopy images show that the cells are able to adhere and penetrate inside the macrovoids of the membranes. Both cell proliferation and oxygen uptake increase with time especially on membranes with lower chitosan concentration. The presence of chitosan in the blend produces an increase of porosity that affect the entrapment of the cells inside the porous bulk of the membranes. Successful cellular proliferation of hMSCs could be useful to enhance longevity of other primary cells by production of corresponding growth factors. To test the dynamic behavior of cells on the membranes, an organ-on-chip (OOC) device has been developed with human umbilical endothelial cells (HUVECs) seeded on the membrane. The hydraulic resistance of the cellular barrier on the membrane has been quantified for real time trans-endothelial pressure (TEP) 20 cmH2O at 37 degree C and with living cells after 1 day and 3 day of post seeding. Results suggests this kind of polymeric scaffolds can be useful in future as an in vivo patch to repair disrupted vessels

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Bouyer, Charlène. "Manipulations acoustiques de cellules pour l'ingénierie tissulaire." Thesis, Lyon 1, 2015. http://www.theses.fr/2015LYO10297/document.

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Abstract:

Manipuler génétiquement ou physiquement des cellules présente un très grand intérêt pour l'ingénierie tissulaire mais soulève encore de nombreux challenges. Les technologies actuelles pour la fabrication de tissus, comme l'assemblage de micro-gels, le remplissage de matrice 3D, le modelage ou l'impression biocompatible sont limités dans leur capacité à organiser spatialement des cellules, souffrent d'un temps de manipulation conséquent, d'effets secondaires potentiellement cytotoxiques et d'une grande complexité de mise en œuvre, empêchant leur utilisation à grande échelle. Nous nous sommes intéressés dans cette thèse à développer des techniques biocompatibles, faciles à implémenter, rapides et facilement transférables dans des laboratoires de biologie. Nous les avons orientées vers deux applications stimulantes car en grand essor et pour lesquelles les techniques actuelles ne permettent pas encore une utilisation grande échelle : la réparation osseuse et l'ingénierie tissulaire neuronale
Genetic or physical cells manipulation aspires to be new challenges in tissue engineering. Current technologies to generate tissues, such as micro-scale hydrogels (microgel) assembly, scaffold seeding, molding or bio-printing suffer from the difficulty to control cells organization, multi-steps time consuming procedures and/or potentially cytotoxic side effects. In this PhD, we aimed at developing cell-friendly and rapid techniques, easily transferable to biological laboratories, for two broadly challenging applications: bone healing and neural tissue engineering, for which the above-mentioned techniques cannot yet provide widely reliable models. In case of a bone critical size defect, external help is often needed for bone healing, and gold-standard for care is bone autograft. Alternatively, the fracture healing process can be stimulated and restored by the implantation at the fracture site of hydrogels embedding growth factors. Both technologies suffer however from side effects such as donor site morbidity or cells over-proliferation in the hydrogel proximity. Moreover, the kinetic of growth factors release cannot be temporally controlled. In this work, we aim at developing an alternative method using ultrasound to spatially and temporally control growth factors release within a biocompatible material: fibrin hydrogels. Towards this goal, we encapsulated, in lipoplexes, plasmids that are under the control of a heat-shock promoter. We then transfected cells, stimulate the production of the targeted protein by heat shock and reported its expression. We also optimized an encapsulation protocol for cells within fibrin gels. This proof of concept demonstrates the feasibility of transfection by lipoplexes with a plasmid under control of heat shock, and pave the way for future developments of in situ transfection of autologous cells, for a tight temporal and spatial control of therapeutic proteins expression using ultrasound-induced hyperthermia

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Najjar, Riham. "Etude structurale par RMN et modélisation moléculaire de peptides urotensinergiques, impliqués dans la régulation du système cardiovasculaire et la prolifération des cellules tumorales." Thesis, Normandie, 2018. http://www.theses.fr/2018NORMR038.

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Abstract:

Ce travail de thèse a porté sur l’étude structurale de peptides urotensinergiques humains par DC, RMN etmodélisation moléculaire. L’hUII (11 aa) et son analogue l’URP (8 aa) sont considérés comme les peptides vasoactifs les plus puissants connus à ce jour et sont impliqués dans divers systèmes biologiques, notamment le système cardiovasculaire et la prolifération des cellules tumorales. Ces deux peptides sont des ligands endogènes d'un RCPG, l’UT. Ils peuvent exercer des actions physiologiques communes mais aussi divergentes. Afin d’apporter des éléments permettant une meilleure compréhension de leurs activités biologiques, nous avons, dans un premier temps, déterminé la structure 3D de trois agonistes (hUII4-11, URP,P5U) et d’un antagoniste (urantide) dans un milieu micellaire mimant les membranes des cellules eucaryotes, le DPC. Dans les quatre peptides, nous avons observé la présence de deux conformations majoritaires du pont disulfure, RHStaple et LHHook, qui sont connues pour être essentielles à l’activité biologique. Nous avons mis en évidence une différence de nature de coude entre les agonistes (coude β de type I) et l’antagoniste (coude β de type II’). Nos analyses ont également permis de montrer l’existence de variations d’orientation des chaînes latérales des résidus F6, Y9 et plus spécialement celle de W7 entre les agonistes etl’antagoniste. Le groupe indole du D-W7 présente ainsi une rotation de 180°. Dans un deuxième temps, nous avons mis en évidence un impact de la concentration sur la conformation de l’hUII qui n’est pas observé pour l’URP. Ce phénomène d’auto-association pourrait avoir une influence sur l’interaction avec le récepteur et être à l’origine des divergences d’activités biologiques entre l’hUII et l’URP
This work aims to characterize the structure of human urotensinergic peptides by CD, NMR and molecular modelling. hUII (11 aa) and its analogue URP (8 aa) are considered as the most potent vasoactive peptides known so far and are involved in various biological systems, including the cardiovascular system and tumor cell proliferation. These two peptides are endogenous ligands of a GPCR, UT, and exert common but also divergent physiological actions. In order to gain a better understanding of their biological activities, we determined the structures of three agonists (hUII4-11, URP, P5U) and one antagonist (urantide), in DPC micelles, a cellular eukaryotic mimetic membrane. For all peptides, we observed the presence of two major forms of the disulfide bridge, RHStaple and LHHook, which are known to be essential for biological activity. We showed a difference in the turn nature between agonists (type I β turn) and the antagonist (type II’ β turn). Our analyses also revealed that, in agonists and antagonist, the side chain orientations of residues F6, Y9 and more specifically W7 were different. Indeed, the indole group of D-W7 exhibited a 180° rotation. Secondly, we showed that, contrary to URP, the conformation of hUII was dependent on concentration. This selfassembly phenomenon may impact the interaction with the receptor and be responsible for the differential biological activities of hUII and URP

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Zhang, Naiyu. "Cellular GPU Models to Euclidean Optimization Problems : Applications from Stereo Matching to Structured Adaptive Meshing and Traveling Salesman Problem." Thesis, Belfort-Montbéliard, 2013. http://www.theses.fr/2013BELF0215/document.

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Abstract:

Le travail présenté dans ce mémoire étudie et propose des modèles de calcul parallèles de type cellulaire pour traiter différents problèmes d’optimisation NP-durs définis dans l’espace euclidien, et leur implantation sur des processeurs graphiques multi-fonction (Graphics Processing Unit; GPU). Le but est de pouvoir traiter des problèmes de grande taille tout en permettant des facteurs d’accélération substantiels à l’aide du parallélisme massif. Les champs d’application visés concernent les systèmes embarqués pour la stéréovision de même que les problèmes de transports définis dans le plan, tels que les problèmes de tournées de véhicules. La principale caractéristique du modèle cellulaire est qu’il est fondé sur une décomposition du plan en un nombre approprié de cellules, chacune comportant une part constante de la donnée, et chacune correspondant à une unité de calcul (processus). Ainsi, le nombre de processus parallèles et la taille mémoire nécessaire sont en relation linéaire avec la taille du problème d’optimisation, ce qui permet de traiter des instances de très grandes tailles.L’efficacité des modèles cellulaires proposés a été testée sur plateforme parallèle GPU sur quatre applications. La première application est un problème d’appariement d’images stéréo. Elle concerne la stéréovision couleur. L’entrée du problème est une paire d’images stéréo, et la sortie une carte de disparités représentant les profondeurs dans la scène 3D. Le but est de comparer des méthodes d’appariement local selon l’approche winner-takes-all et appliquées à des paires d’images CFA (color filter array). La deuxième application concerne la recherche d’améliorations de l’implantation GPU permettant de réaliser un calcul quasi temps-réel de l’appariement. Les troisième et quatrième applications ont trait à l’implantation cellulaire GPU des réseaux neuronaux de type carte auto-organisatrice dans le plan. La troisième application concerne la génération de maillages structurés appliquée aux cartes de disparité afin de produire des représentations compressées des surfaces 3D. Enfin, la quatrième application concerne le traitement d’instances de grandes tailles du problème du voyageur de commerce euclidien comportant jusqu’à 33708 villes.Pour chacune des applications, les implantations GPU permettent une accélération substantielle du calcul par rapport aux versions CPU, pour des tailles croissantes des problèmes et pour une qualité de résultat obtenue similaire ou supérieure. Le facteur d’accélération GPU par rapport à la version CPU est d’environ 20 fois plus vite pour la version GPU sur le traitement des images CFA, cependant que le temps de traitement GPU est d’environ de 0,2s pour une paire d’images de petites tailles de la base Middlebury. L’algorithme amélioré quasi temps-réel nécessite environ 0,017s pour traiter une paire d’images de petites tailles, ce qui correspond aux temps d’exécution parmi les plus rapides de la base Middlebury pour une qualité de résultat modérée. La génération de maillages structurés est évaluée sur la base Middlebury afin de déterminer les facteurs d’accélération et qualité de résultats obtenus. Le facteur d’accélération obtenu pour l’implantation parallèle des cartes auto-organisatrices appliquée au problème du voyageur de commerce et pour l’instance avec 33708 villes est de 30 pour la version parallèle
The work presented in this PhD studies and proposes cellular computation parallel models able to address different types of NP-hard optimization problems defined in the Euclidean space, and their implementation on the Graphics Processing Unit (GPU) platform. The goal is to allow both dealing with large size problems and provide substantial acceleration factors by massive parallelism. The field of applications concerns vehicle embedded systems for stereovision as well as transportation problems in the plane, as vehicle routing problems. The main characteristic of the cellular model is that it decomposes the plane into an appropriate number of cellular units, each responsible of a constant part of the input data, and such that each cell corresponds to a single processing unit. Hence, the number of processing units and required memory are with linear increasing relationship to the optimization problem size, which makes the model able to deal with very large size problems.The effectiveness of the proposed cellular models has been tested on the GPU parallel platform on four applications. The first application is a stereo-matching problem. It concerns color stereovision. The problem input is a stereo image pair, and the output a disparity map that represents depths in the 3D scene. The goal is to implement and compare GPU/CPU winner-takes-all local dense stereo-matching methods dealing with CFA (color filter array) image pairs. The second application focuses on the possible GPU improvements able to reach near real-time stereo-matching computation. The third and fourth applications deal with a cellular GPU implementation of the self-organizing map neural network in the plane. The third application concerns structured mesh generation according to the disparity map to allow 3D surface compressed representation. Then, the fourth application is to address large size Euclidean traveling salesman problems (TSP) with up to 33708 cities.In all applications, GPU implementations allow substantial acceleration factors over CPU versions, as the problem size increases and for similar or higher quality results. The GPU speedup factor over CPU was of 20 times faster for the CFA image pairs, but GPU computation time is about 0.2s for a small image pair from Middlebury database. The near real-time stereovision algorithm takes about 0.017s for a small image pair, which is one of the fastest records in the Middlebury benchmark with moderate quality. The structured mesh generation is evaluated on Middlebury data set to gauge the GPU acceleration factor and quality obtained. The acceleration factor for the GPU parallel self-organizing map over the CPU version, on the largest TSP problem with 33708 cities, is of 30 times faster

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Wu, Jian. "INVESTIGATION OF THE RELATIONSHIP BETWEEN RNA 3D STRUCTURE AND FUNCTION USING POTATO SPINDLE TUBER VIROID (PSTVD) AS A MODEL." The Ohio State University, 2019. http://rave.ohiolink.edu/etdc/view?acc_num=osu1565876797069284.

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ZHANG, Naiyu. "Cellular GPU Models to Euclidean Optimization Problems : Applications from Stereo Matching to Structured Adaptive Meshing and Traveling Salesman Problem." Phd thesis, Université de Technologie de Belfort-Montbeliard, 2013. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00982405.

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Abstract:

The work presented in this PhD studies and proposes cellular computation parallel models able to address different types of NP-hard optimization problems defined in the Euclidean space, and their implementation on the Graphics Processing Unit (GPU) platform. The goal is to allow both dealing with large size problems and provide substantial acceleration factors by massive parallelism. The field of applications concerns vehicle embedded systems for stereovision as well as transportation problems in the plane, as vehicle routing problems. The main characteristic of the cellular model is that it decomposes the plane into an appropriate number of cellular units, each responsible of a constant part of the input data, and such that each cell corresponds to a single processing unit. Hence, the number of processing units and required memory are with linear increasing relationship to the optimization problem size, which makes the model able to deal with very large size problems.The effectiveness of the proposed cellular models has been tested on the GPU parallel platform on four applications. The first application is a stereo-matching problem. It concerns color stereovision. The problem input is a stereo image pair, and the output a disparity map that represents depths in the 3D scene. The goal is to implement and compare GPU/CPU winner-takes-all local dense stereo-matching methods dealing with CFA (color filter array) image pairs. The second application focuses on the possible GPU improvements able to reach near real-time stereo-matching computation. The third and fourth applications deal with a cellular GPU implementation of the self-organizing map neural network in the plane. The third application concerns structured mesh generation according to the disparity map to allow 3D surface compressed representation. Then, the fourth application is to address large size Euclidean traveling salesman problems (TSP) with up to 33708 cities.In all applications, GPU implementations allow substantial acceleration factors over CPU versions, as the problem size increases and for similar or higher quality results. The GPU speedup factor over CPU was of 20 times faster for the CFA image pairs, but GPU computation time is about 0.2s for a small image pair from Middlebury database. The near real-time stereovision algorithm takes about 0.017s for a small image pair, which is one of the fastest records in the Middlebury benchmark with moderate quality. The structured mesh generation is evaluated on Middlebury data set to gauge the GPU acceleration factor and quality obtained. The acceleration factor for the GPU parallel self-organizing map over the CPU version, on the largest TSP problem with 33708 cities, is of 30 times faster.

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Manandhar, Sandeep. "3D motion estimation and assessment in fluorescence microscopy volume sequences." Thesis, Rennes 1, 2019. http://www.theses.fr/2019REN1S096.

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Abstract:

Ce travail de thèse porte sur l’estimation et l'évaluation de champs de vitesse 3D dans des séquences d'images 3D de microscopie à fluorescence. Nous nous sommes intéressés aux méthodes de mise en correspondance et aux méthodes variationnelles pour l'estimation du mouvement entre volumes 3D de la séquence. Pour l'appariement, nous avons développé deux extensions 3D originales de PatchMatch, les deux incorporant une mesure de similarité exploitant la signature de Census discrète : une méthode exploitant les super-pixels et qui procède couche par couche dans le volume, et une méthode multi-résolution s’appliquant directement aux volumes. Nous avons par ailleurs conçu une méthode de segmentation des protubérances sur la surface de la cellule et une étape d'appariement des éléments segmentés reposant sur une représentation en mailles triangulaires. En ce qui concerne l'estimation dense des flots 3D, nous avons élaboré plusieurs méthodes variationnelles. Si toutes exploitent la signature Census continue des voxels dans le terme d’attache aux données, elles se distinguent par la nature du terme de régularisation : L2, L1 ou TV. Nous avons également combiné la méthode 3D PatchMatch avec la méthode variationnelle pour appréhender à la fois des mouvements de grande et de petite amplitude. Pour l'évaluation visuelle, nous avons proposé trois techniques différentes de visualisation des flots 3D par code couleur. Elles offrent des vues synthétiques 2D pertinentes du flot 3D calculé, respectivement couche par couche dans le volume, selon des projections tri-planaires, ou par affichage sur l’image obtenue par projection d'intensité maximale. De plus, nous avons défini une nouvelle mesure d’erreur quantitative pour évaluer la précision du flot 3D estimé, lorsqu'aucune vérité-terrain n’est disponible. Elle s'exprime comme la différence angulaire entre l'orientation principale locale dans le volume source et celle correspondante dans le volume rétro-reconstruit à partir du flot 3D calculé. Nous avons testé nos méthodes sur des séquences d'images microscopiques réelles contenant des cellules de mélanome MV3 dans un environnement de collagène. En comparant avec la méthode d'Amat et al. et notre extension 3D de la méthode classique de Horn-et-Schunck, nous avons pu en déduire que nos méthodes sont les plus performantes
The thesis work deals with the computation and the assessment of 3D motion fields in 3D fluorescence microscopy image sequences. We have investigated 3D matching and variational methods for 3D flow field estimation between two consecutive volumes. For matching, we have developed two original 3D extensions of PatchMatch both involving the discrete Census similarity measure: a super-pixel based method that proceeds slice by slice, and a coarse-to-fine method directly applied to the volumes. We have also designed a protrusion segmentation method on the cell surface along with a matching stage relying on a triangular mesh-based representation. Regarding the dense estimation of 3D flow fields, we have adopted a variational approach, while exploiting the continuous Census signature of voxels in the data term. We have tested three regularization terms: L2, L1, and TV-based regularization. We have also combined the 3D PatchMatch method with the variational method to be able to handle simultaneously large and small motion magnitude. For visual assessment, we have proposed three different color-coded visualization techniques of 3D flow fields. They offer 2D summaries of the 3D flow field, respectively, slice-by-slice, with tri-planar projections, and after maximum intensity point projection. In addition, we have defined a new quantitative error measure for assessing the accuracy of the estimated flow field when no ground truth is available. It involves the angular difference between the local principal orientation of the original source volume and the corresponding one in the volume backward-warped with the 3D computed flow field. We have tested our methods on real microscopy image sequences containing MV3 melanoma cells in collagen environment. When comparing with the state-of-the-art method of Amat et al., and our 3D extension of the classical Horn-and-Schunck method, we found our proposed methods to be the best performing ones

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Thouvenin, Olivier. "Optical 3D imaging of subcellular dynamics in biological cultures and tissues : applications to ophthalmology and neuroscience." Thesis, Sorbonne Paris Cité, 2017. http://www.theses.fr/2017USPCC169/document.

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Abstract:

Cette thèse a pour objectif l’étude d’un lien effectif potentiel entre la motilité cellulaire, la mécanique cellulaire, et l’activité biochimique de ces mêmes cellules. Ce couplage a été étudié dans divers systèmes biologiques, et aussi bien dans des cultures de cellules qu’à l’intérieur de tissus plus complexes. Notamment, nous avons particulièrement cherché à détecter un couplage électromécanique dans des neurones qui pourrait être impliqué dans la propagation du message nerveux.Pour ce faire, nous avons dû développer deux microscopes optiques à la sensibilité extrême. Ces microscopes se composent de deux parties principales. La première sert à détecter des mouvements axiaux plus petits que la longueur d’onde optique, soit en dessous de 100 nanomètres. La deuxième partie permet la détection d’un signal de fluorescence, offrant la possibilité de suivre l’évolution biochimique de la cellule. Avec ces deux microscopes multimodaux, il est donc possible de suivre de manière simultanée un contraste de motilité, un contraste mécanique, un contraste structurel et un contraste biochimique. Si l’un de ces systèmes est basé sur la tomographie de cohérence optique plein champ et permet de faire de telles mesures en 3-D et en profondeur dans les tissus biologiques, le second ne permet que des mesures dans des cultures de cellules, mais est bien plus robuste au bruit mécanique. Dans ce manuscrit, nous allons essentiellement décrire le développement de ces deux appareils, et préciser les contrastes auxquels ils sont sensibles spécifiquement.Nous développerons également deux des applications principales de ces microscopes que nous avons étudié dans le détail au cours de cette thèse. La première application développe l’intérêt d’un de nos microscopes pour la détection sans marquage des principaux composants cellulaires et structuraux de la cornée et de la rétine. La seconde application tend à détecter et à suivre des ondes électromécaniques dans des neurones de mammifères
This PhD project aims to explore the relationship that might exist between the dynamic motility and mechanical behavior of different biological systems and their biochemical activity. In particular,we were interested in detecting the electromechanical coupling that may happen in active neurons, and may assist in the propagation of the action potential. With this goal in mind, we have developed two highly sensitive optical microscopes that combine one modality that detects sub-wavelength axial displacements using optical phase imaging and another modality that uses a fluorescence path. Therefore, these multimodal microscopes can combine a motility, a mechanical,a structural and a biochemical contrast at the same time. One of this system is based ona multimodal combination of full-field optical coherence tomography (FF-OCT) and allows the observation of such contrast inside thick and scattering biological tissues. The other setup provides a higher displacement sensitivity, but is limited to measurements in cell cultures. In this manuscript, we mainly discuss the development of both systems and describe the various contrastst hey can reveal. Finally, we have largely used our systems to investigate diverse functions of the eye and to look for electromechanical waves in cell cultures. The thorough description of both biological applications is also provided in the manuscript

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Chamayou, Léo. "LiverPearls, une méthode de culture multicellulaire miniaturisée et à haut débit reproduisant l’environnement physiologique et la structure tridimensionnelle du foie humain." Thesis, Université Paris sciences et lettres, 2020. http://www.theses.fr/2020UPSLS005.

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Abstract:

L’intérêt pour de nouveaux modèles de foie, plus proches physiologiquement du foie in vivo, est élevé, en particulier en provenance de l’industrie pharmaceutique. En effet, les systèmes standards, tels que la culture en 2D ne sont pas très prédictifs pour certaines études et de meilleurs modèles sont nécessaires, à la fois dans le cadre des études ADME/Tox pour le développement de médicaments ou pour modéliser les nombreuses maladies hépatiques. Afin de reproduire le foie humain, un modèle doit imiter sa structure de façon plus proche que les systèmes en 2D et refléter sa composition cellulaire. Pour produire ce modèle, nous avons utilisé une technologie de micro-encapsulation basée sur la co-extrusion dans l’air d’un jet biphasique, composé d’une phase externe de solution d’alginate et d’une phase interne contenant les cellules. Ce jet est ensuite fragmenté puis l’alginate est réticulé produisant des micro-capsules cœur/coque. La coque poreuse d’alginate protège les cellules du stress mécanique tout en permettant le passage de l’oxygène et des nutriments.Les cellules s’auto-assemblent dans ces capsules en sphéroïdes hépatiques pouvant être cultivés pendant un mois en gardant une bonne fonctionnalité et pouvant être utilisés dans le cadre de criblage à haut-débit. Cette thèse a porté sur l’utilisation de cette technologie pour mettre au point un modèle 3D de foie humain contenant des hépatocytes primaires humains, des cellules de Kupffer, et des cellules endothéliales sinusoïdales. Dans un premier temps, les conditions de culture de ce modèle ont dû être optimisées, notamment le ratio entre les différents types cellulaires et le milieu de culture adapté à ceux-ci. Puis, une fois ces conditions établies, le modèle a été caractérisé, structurellement par microscopie,ainsi que fonctionnellement, par l’étude de l’expression génique de plusieurs protéines hépatiques importantes, telles que les cytochromes P450 ou des récepteurs nucléaires. Des études d’activité enzymatique, de sécrétion d’albumine et d’urée ont également été menées. Ces capsules nous permettent d’obtenir un modèle en 3D, plus proche de la structure du foie humain, et capable de reproduire les interactions complexes entre les différents types cellulaires
Interest for new and more physiologically relevant liver models is high, particularly from pharmaceutical companies. Standard systems, like 2D culture, are indeed not enough predictive and better models are needed, either for drug candidates screening in ADME/Tox studies or for hepatic diseases modelling. To be closer to the human liver, a new model needs toreplicate liver structure and cellular composition better than the 2D. To this end, we used a micro-encapsulation technology, developed by the laboratory and based on the co-extrusion of a two-phases jet, composed of an alginate external phase and a cell-containing internal phase. This jet is then fragmented into micro-droplets and the alginate reticulated to form core-shell microcapsules. The porous alginate shell protects the cells from shear stress while letting oxygen and nutrients pass, and by preventing cell adhesion, enables the cells to self-assemble into hepatic spheroids which can bekept alive during one month, retain good functionality and can be used for high-throughput screening. This thesis focusedon using this technology to develop a next 3D liver model containing human primary hepatocytes, Kupffer cells and liver sinusoidal endothelial cells. Firstly, culture conditions for this model had to be optimized, particularly the ratio between these different cell types and the culture medium, which had to be suitable for these cell types. Then, once the culture conditions had been established, the model was characterized, structurally by immunofluorescence staining, and functionally by studying gene expression of important liver proteins, like cytochromes P450 or nuclear receptors. Enzymaticactivity, albumin and urea secretion were also studied. These capsules allow us to obtain a model able to replicate the complex interactions between these cell types and structurally closer to the human liver

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Vermeulen, Pierre. "Microscopie à illumination structurée et optique adaptative pour l'imagerie de fluorescence 3D dynamique." Phd thesis, Université Paris-Diderot - Paris VII, 2012. http://pastel.archives-ouvertes.fr/pastel-00777094.

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Abstract:

Les récentes avancées en microscopie de fluorescence (augmentation de résolution spatiale, correction des aberrations induites par l'échantillon...) ouvrent de nombreuses perspectives en imagerie biologique. Mais pour que ces techniques se répandent, il est nécessaire de réduire les contraintes qu'elles imposent sur la préparation des échantillons, sur les sondes fluorescentes, sur la complexité de mise en oeuvre ou la cadence d'acquisition. Pendant ma thèse, j'ai travaillé sur le développement et l'amélioration de quelques-unes de ces techniques. Dans un premier temps, deux systèmes d'illumination structurée ont été réalisés dans le but d'accélérer la cadence de réalisation de coupes optiques pour l'observation d'échantillons épais vivants. Une deuxième partie de mon travail a concerné la mise en place d'une nouvelle approche de reconstruction en illumination structurée afin de dépasser la limite de résolution imposée par le microscope. Cet outil permet de réduire le nombre d'images requises pour la reconstruction d'une image super-résolue, ce qui ouvre la voie à une augmentation de la cadence de réalisation de ces images. Un montage d'optique adaptative a également été développé afin de corriger les aberrations introduites par les échantillons épais, permettant une amélioration des capacités d'imagerie en profondeur. L'accent a été mis sur la protection de l'échantillon, grâce à l'utilisation de billes fluorescentes pour déterminer la correction à appliquer sans illuminer l'échantillon. Enfin, un instrument de mesure du rendement quantique de fluorescence dédié à la caractérisation de fluorophores infrarouges a été mis en oeuvre afin de pallier les limitations des méthodes de mesure classiques dans le proche infrarouge.

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Duarte, Campos Daniela Filipa [Verfasser], Horst [Akademischer Betreuer] Fischer, Daniela [Akademischer Betreuer] Zander, and Stefan [Akademischer Betreuer] Jockenhövel. "Cellular differentiation in 3D-bioprinted mesenchymal stem cell-loaded hydrogels with varying structural and mechanical properties / Daniela Filipa Duarte Campos ; Horst Fischer, Brita Daniela Zander, Stefan Jockenhövel." Aachen : Universitätsbibliothek der RWTH Aachen, 2016. http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-024801.

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Duarte, Campos Daniela Filipa [Verfasser], Horst Akademischer Betreuer] Fischer, Brita Daniela [Akademischer Betreuer] Zander, and Stefan [Akademischer Betreuer] [Jockenhövel. "Cellular differentiation in 3D-bioprinted mesenchymal stem cell-loaded hydrogels with varying structural and mechanical properties / Daniela Filipa Duarte Campos ; Horst Fischer, Brita Daniela Zander, Stefan Jockenhövel." Aachen : Universitätsbibliothek der RWTH Aachen, 2016. http://d-nb.info/1130326853/34.

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Duarte, Campos Daniela Filipa Verfasser], Horst [Akademischer Betreuer] Fischer, Brita Daniela [Akademischer Betreuer] Zander, and Stefan [Akademischer Betreuer] [Jockenhövel. "Cellular differentiation in 3D-bioprinted mesenchymal stem cell-loaded hydrogels with varying structural and mechanical properties / Daniela Filipa Duarte Campos ; Horst Fischer, Brita Daniela Zander, Stefan Jockenhövel." Aachen : Universitätsbibliothek der RWTH Aachen, 2016. http://d-nb.info/1130326853/34.

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Racine, Victor. "Quantification des dynamiques cellulaires par analyse de données de vidéo-microscopie 3D+t." Paris 6, 2006. http://www.theses.fr/2006PA066480.

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Abstract:

Cette thèse présente des méthodes d’analyse d’images numériques issues de la microscopie de fluorescente pour la biologie cellulaire. Elle s’intéresse essentiellement à la localisation et au suivi des complexes multimoléculaires dans les données multidimensionnelles (2D, 2D+t, 3D et 3D+t). Une première partie du travail est dédiée à l’extraction et la caractérisation de structures biologiques dans les images en utilisant des techniques de segmentation basées sur la décomposition en ondelettes. Plusieurs études biologiques réalisées en collaboration avec différentes équipes de recherche et exploitant directement ces outils sont présentées, comme par exemple l’étude de la morphométrie des organelles des cellules contraintes sur des micro-patterns et le travail sur la localisation de la protéine mid1p dans la levure. Dans une deuxième partie, il est présenté une méthode permettant de suivre dans le temps des molécules uniques ou des complexes multi moléculaires marqués. Elle permet la mise en correspondance des objets segmentés par minimisation des coûts d’association en utilisant la technique de recuit simulé. Cette méthode est bien adaptée à nombre de situations rencontrées en biologie cellulaire, car elle modélise de multiples comportements tels que l’apparition, la disparition ou la fusion et la dissociation. Une application au suivi de molécules uniques (ADN mono disperse 166kpb) est présentée dans le but d’étudier les variations de leur coefficient de diffusion. La troisième partie de cette thèse décrit un ensemble d’analyses appliquées à la caractérisation spatiale et temporelle des intermédiaires de transport du trafic membranaire marqués par les protéines chimériques GFP-Rab6A et GFP-Rab6A’. Plusieurs approches complémentaires sont exposées dans le but d’extraire un maximum d’informations quantitatives et de tenter une description des mécanismes biologiques sous-jacents
This thesis presents several approaches aiming to analyze fluorescence microscopy images in the field of cell biology. It is essentially focused on techniques for localization and tracking of multimolecular complexes in multidimensional data (2D, 2D+t, 3D and 3D+t). The first part of this work is dedicated to the extraction and characterization of fluorescent biological structures using wavelet based segmentation. Various biological studies performed in collaboration with various research groups are detailed, such as a study about morphometric analysis of organelles of cell constrained by micro patterns or the localization of the mid1p protein in yeasts. In a second part, a tracking algorithm of labeled molecular structures is presented. It is based on the linking over time of segmented objects by minimizing the association costs by a simulated annealing technique. This method is particularly well adapted in a lot of biological situations, because it allows modeling of many events like birth, death, fusion and fission. A single molecule (mono-disperse DNA 166kbp) dynamics analysis has been made using this tracking technique in order to extract the variations of the molecular diffusion coefficient. The third part describes a set of analyzes with the goal to study the spatial and temporal localization of transport intermediates involved in the membrane trafficking tagged by chimerical GFP-Rab6A and GFP-Rab6A’ proteins. Several complementary approaches are used to extract quantitative information and to describe the underneath biological processes

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Larburu, Natacha. "Etude structurale de la biogenèse de la petite sous-unité ribosomique humaine par cryo-microscopie électronique et analyse d'images." Thesis, Toulouse 3, 2015. http://www.theses.fr/2015TOU30336/document.

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Abstract:

La biogenèse des ribosomes eucaryotes est un processus complexe qui implique la production et l'assemblage de 4 ARNr et 80 protéines. La production des deux sous-unités du ribosome, 40S et 60S, débute dans le nucléole par la synthèse d'un long précurseur commun contenant les séquences des ARNr matures et se termine dans le cytoplasme où ont lieu les dernières étapes d'assemblage des protéines ribosomiques et de clivage des ARNr. La production de ribosomes nécessite la participation de plus de 200 co-facteurs, qui catalysent les clivages et modifications des ARNr, coordonnent leur repliement et leur association aux protéines ribosomiques, et assurent des étapes de contrôle-qualité. Ces protéines sont associées aux particules en cours de maturation et absentes des sous-unités matures. Cette voie de synthèse, globalement conservée chez les eucaryotes, a été principalement étudiée chez la levure. Cependant, des études récentes ont montré des différences importantes de ce processus entre levure et mammifères. Un des verrous importants pour comprendre la fonction des co-facteurs, est l'absence de données sur la structure des précurseurs des sous-unités ribosomiques. J'ai donc entrepris une étude structurale de l'assemblage cytoplasmique de la petite sous-unité ribosomique chez l'homme par cryo-microscopie électronique à transmission. Le but de ma thèse était de déterminer la structure 3D des précurseurs de la petite sous-unité ribosomique purifiés à différentes étape de leur maturation. Ce travail a été conduit en collaboration avec l'équipe du Pr. Ulrike Kutay (ETH Zurich) pour la purification des particules pré-40S à partir de cellules humaines. La première structure 3D de particule pré-40S intermédiaire purifiée en étiquetant le co-facteur LTV1 a été déterminée à 19Å de résolution. Dans un deuxième temps, la structure 3D de la particule pré-40S tardive purifiée à via RIO1(KD) a aussi été déterminée à 15Å de résolution. Ces données nous ont permis de proposer un modèle de localisation des co-facteurs sur les précurseurs de la petite sous-unité ribosomique et de montrer une nouvelle différence dans la formation de la petite sous-unité chez l'Homme comparé à la levure, du fait de la présence de la protéine RACK1 sur les particules pré-40S humaines. La comparaison des structures des précurseurs de la petite sous-unité obtenues a permis de mettre en lumière l'existence de remodelages structuraux de la particule pré-40S au cours de sa maturation. Ce travail met en lumière les premières structures 3D de particules pré-40S humaines et pose les fondements méthodologiques d'explorations futures de la dynamique structurale des particules pré-ribosomiques
Ribosome biogenesis is a complex process that requires the production and the correct assembly of the 4 rRNAs with 80 ribosomal proteins. In Human, the production of the two subunits, 40S and 60S, is initiated by the transcription of a pre-ribosomal rRNA precursor to the mature 18S, 5.8S, and 28S rRNAs by the RNA polymerase I, which is chemically modified and trimmed by endo- and exoribonuclease, in order to form the mature rRNAs. The nascent pre rRNA associated with ribosomal proteins, small ribonucleoprotein particles (snoRNP) and so called co-factors leading to the assembly of an initial 90S particle. This particle is then split into pre-40S and pre-60S pre-ribosomal particles that fallow independent maturation to form the mature subunit into the cytoplasm. Production of eukaryotic ribosomes implies the transient intervention of more than 200 associated proteins and ribonucleoprotein particles, that are absent from the mature subunits. Synthesis of ribosome, globally conserved in eukaryotes, has been principally studied in yeast. However, recent studies reveal that this process is more complex in human compared in yeast. An important bottleneck in this domain is the lack of structural data concerning the formation of intermediate ribosomal subunits to understand the function of assembly factors. Determination of the structural remodeling of pre-ribosomal particles is crucial to understand the molecular mechanism of this complex process. So I have undertaken a structural study on the assembly of the small ribosomal subunit using cryo-electron microscopy and image analysis. The goal of my thesis is to determine the 3D structures of human pre-40S particles at different maturation stages to see the structural remodeling that occurs during the biogenesis of the small ribosomal subunit. We are collaborating with the group of Pr Ulrike Kutay at ETH Zurich, who purify human pre-40S particles. The 3D structures of human pre-40S particles purified at an intermediate and late maturation stages, has been determined with a resolution of 19 and 15Å respectively. Supplementary densities, compared to the mature subunit, indicate the presence of assembly factors and show the unexpected presence of the RACK1 protein in the precursor of the human small ribosomal subunit in the cytoplasm. The comparison of the 3D structures of human pre-40S particle allows showing the structural remodeling that occur during the maturation of the small ribosomal subunit. This work provides the first 3D structure of human pre-40S particles and laid the methodological foundations for future exploration of the structural dynamics of pre-ribosomal particles

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Arpón, Javier. "Statistical analysis and modeling of nuclear architecture in Arabidopsis Thaliana." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2016. http://www.theses.fr/2016SACLS586/document.

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Abstract:

Les noyaux des cellules eucaryotes contiennent différents compartiments définis fonctionnellement ou structurellement et à multiples échelles qui présentent une distribution spatiale très ordonnée. Un défi majeur est alors d'identifier les règles selon lesquelles les compartiments nucléaires sont organisés dans l'espace et de décrire comment ces règles peuvent varier en fonction des conditions physiologiques ou expérimentales. Les statistiques spatiales ont rarement été utilisées à cette fin et se sont généralement limitées à l'évaluation de l'aléatoire complet. Ici, nous développons une approche de statistiques spatiales qui combine la cytologie, l'analyse d'image et la modélisation spatiale pour mieux comprendre les configurations spatiales à l'intérieur du noyau. Notre première contribution est un cadre méthodologique qui permet de tester des modèles d'organisation spatiale au niveau de la population. Plusieurs modèles spatiaux ont été proposés et mis en œuvre, en particulier l'aléatoire, l'aléatoire orbitale, la régularité maximale, l'aléatoire territoriale et l'aléatoire territoriale orbitale, pour analyser la distribution d'objets biologiques dans des domaines 3D finis et de formes arbitraires. De nouveaux descripteurs spatiaux, combinés aux descripteurs classiques, sont utilisés pour comparer les motifs observés à des configurations attendues sous les modèles testés. Une version non biaisée d'un test statistique publié précédemment est proposé pour évaluer la qualité de l'ajustement des modèles spatiaux sur les distributions observées. Après, nous étudions les propriétés de l'approche proposée à partir de données réelles et simulées. La robustesse de l'approche proposée aux erreurs de segmentation et la fiabilité des évaluations spatiales sont examinées. En outre, la base d'une méthode pour comparer les distributions spatiales entre différents groupes expérimentaux est proposée. Dans la dernière partie de ce travail, notre approche est appliquée à des images de noyaux cellulaires de la feuille chez A. thaliana, pour analyser la distribution spatiale de compartiments dynamiques et plastiques d'hétérochromatine, les chromocentres, qui ont un rôle important dans la structure du génome. Des noyaux isolés et des cryo-sections provenant de plantes de type sauvage ont été analysés. Nous montrons que les chromocentres présentent une distribution très régulière, ce qui confirme les résultats publiés précédemment. En utilisant nos nouveaux descripteurs, nous démontrons pour la première fois, objectivement et quantitativement, que les chromocentres présentent une localisation préférentielle périphérique. En employant un nouveau modèle spatial, nous rejetons l'hypothèse selon laquelle l'organisation régulière observée est uniquement expliquée par un positionnement périphérique. Nous démontrons en outre que les chromocentres affichent une régularité spatiale proche de la régularité maximale à l'échelle globale, mais pas à l'échelle locale. Enfin, nous utilisons des simulations pour tester un modèle selon lequel le positionnement des chromocentres est déterminé par les territoires chromosomiques et par des interactions avec l'enveloppe nucléaire. Nous avons ensuite vérifié s'il la distribution des chromocentres pouvait être modifiée par différentes mutations. Nous avons analysé les données de noyaux des mutants crwn et kaku, qui sont connus pour influencer la morphologie nucléaire. Les résultats suggèrent que ces mutations impactent en effet la morphologie nucléaire et les caractéristiques de l'hétérochromatine, mais ne modifient pas la régularité de la distribution des chromocentres même si la distance à la frontière du noyau est affectée. La généricité du cadre proposé pour analyser les distributions d'objets dans des domaines 3D finis et la possibilité d'ajouter de nouveaux modèles et descripteurs spatiaux devrait permettre d'analyser des organisations spatiales au sein de différents systèmes biologiques et à différentes échelles
Eukaryotic cell nuclei contain distinct functionally or structurally defined compartments at multiple scale that present a highly ordered spatial arrangement. Several studies in plants and animals have pointed out to links between nuclear organization and genome functions. A key challenge is to identify rules according to which nuclear compartments are organized in space and to describe how these rules may vary according to physiological or experimental conditions. Spatial statistics have been rarely used for this purpose, and were generally limited to the evaluation of complete spatial randomness. In this Thesis, we develop a spatial statistical approach, which combines cytology, image analysis and spatial modeling to better understand spatial configurations inside the nucleus. Our first contribution is a methodological framework that allows to test models of spatial organization at the population level. Several spatial models have been developed and implemented, including randomness, orbital randomness, maximum regularity, territorial randomness or orbital territorial randomness of biological objects within finite 3D domains of arbitrary shape. New spatial descriptors, in combination with classical ones, are used to compare observed patterns to expected configurations under the tested models. An unbiased version of a previously published statistical test is proposed to evaluate the goodness-of-fit of spatial models over populations of observed patterns. In the second part of this Thesis, we investigate the properties of the proposed approach using simulated and real data. The robustness of the proposed approach to segmentation errors and the reliability of the spatial evaluations are examined. Besides, the basis for a method to compare spatial distributions between different experimental groups is proposed. In the last part of this work, the proposed approach is applied on A. thaliana leaf cell nuclei images to analyze the spatial distribution of chromocenters, which are dynamic and plastic heterochromatic compartments that have an important structural role in the genome. A first application was to analyze isolated and cryo-section nuclei from wild type plants. We show that chromocenters present a highly regular distribution, confirming previously published results. Using new spatial statistical descriptors, we then demonstrate objectively and quantitatively, for the first time, that chromocenters exhibit a preferentially peripheral localization. Employing a new spatial model, we then reject the hypothesis that the regular organization is explained solely by the peripheral positioning. We further demonstrate that chromocenters organization displays a close-to-maximum spatial regularity at the global scale, but not at the local one. Lastly, we use simulations to examine a model according to which chromocenters positioning is constrained by chromosome territories and by interactions with the nuclear boundary. The second application was to elucidate whether chromocenters distribution could be altered under different mutations. We analyze nuclei data from crwn and kaku mutants, which are known to affect nuclear morphology. The results suggest that these mutations impact on nuclear morphology and on heterochromatin features but do not alter the regularity of chromocenters distribution even when the relative distance to the border is affected. The genericity of the proposed framework to analyze object distributions in finite 3D domains and its expandability to add more spatial models and spatial descriptors should be of interest to decipher spatial organizations within biological systems at various scales

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Lu, Biao. "Evaluation of physico-chemical properties of biorefinery-derived amphiphilic molecules and their effects on multi-scale biological models." Thesis, Compiègne, 2015. http://www.theses.fr/2015COMP2218/document.

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Abstract:

Aujourd'hui, un grand nombre de nouvelles molécules peuvent être synthétisées à partir de la biomasse. Les tensioactifs dérivés de sucre sont notamment considérés comme une alternative aux tensioactifs fossiles en raison de leur biodégradabilité et de leur biocompatibilité. Cependant, les études associant la caractérisation physico-chimique et les propriétés biologiques de ce type de tensio-actifs sont limitées. Il est ainsi difficile de prédire les propriétés d'un tensioactif à partir de sa structure chimique. L'établissement d'une méthodologie permettant de relier la structure des surfactants à leurs propriétés apparait pertinent. Dans ce travail, quatre surfactants dérivés de sucre ayant chacun une chaîne C8 liée à une tête glucose ou maltose par un groupe amide ont été caractérisés par leurs propriétés tensio-actives dans différentes solutions (eau et milieu biologique). Leurs interactions avec des protéines ont également été analysées. Concernant l'évaluation des propriétés biologiques, des tests de cytotoxicité/irritation ont été effectués sur trois modèles in-vitro : 1) modèle cellulaire 20 (cellules L929 cultivées en monocouche), Il) modèle cellulaire 30 (cellules L929 cultivées dans un gel de collagène), Ill) épiderme humain reconstitué. Les résultats indiquent que les quatre surfactants synthétisés présentent de bonnes propriétés tensio-actives et trois d'entre eux sont moins cytotoxiques que des tensioactifs de référence. Plusieurs hypothèses permettant de relier la structure chimique des molécules à leurs propriétés physico-chimiques et biologiques ont été proposées. Des travaux futurs permettront d'enrichir la base de données sur les relations structure-propriétés des tensioactifs issus de la biomasse, et de l'utiliser pour synthétiser des surfactants présentant des propriétés adaptées aux applications envisagées
Nowadays, a wide variety of new molecules can derive from biomass. Among them, the family of sugar-based surfactants, which are considered as alternatives to fossil-based surfactants, due to their relatively high biodegradability and biocompatibility, exhibit interesting properties both in terms of their self-assembly and their ability to induce biological responses. In the study, for the purpose to analyse these properties, different methodologies have been established. In this work, physico-chemistry and cellular biology methodologies are associated to analyse the properties of pre-selected molecules characterized by gradua) structure modifications. Firstly, we have screened synthesized sugar-based surfactants according to their solubility and their ability to reduce surface tension of water. Four pre-selected molecules, with a C8 chain linked to a glucose or maltose head through an amide functional group, either under the form of carbamoyl (carbohydrate scaffold bearing the carbonyl) or alkylcarboxamide (the alkyl chain bearing the carbonyl), were then dissolved in water/ cell culture media for surface tension measurements. Their behaviors in solutions were characterized by Krafft points, Critical Micellar Concentrations or self-assembling properties through different methods. To evaluate the cytotoxic/ irritant effects of these molecules on cells and tissues, 3 in-vitro models were established: I) 2D cell culture mode! (L929 cell monolayer) II) 3D ce!! culture mode! (L929 cells embedded in collagen gel) and III) Reconstituted human epidermis (differentiated human keratinocytes). Corresponding experiments were carried out on these models with increasing complexity. Results show that the synthesized sugar-based surfactants, GlulamideC8, Glu6amideC8, Glu6amideC8' and MallamideC8 can reduce the surface tension of water solution to the came level as standard surfactants (Tween 20 and Hecameg). In the meantime, GlulamideC8, Glu6amideC8' and MallamideC8 present Iess cytotoxicity effects on L929 cells both in the monolayer model and the 3D mode! than Tween 20 and Hecameg. All synthesized and standard surfactants (GlulamideC8, Glu6amideC8, Gu6amideC8', MallamideC8, Tween 20 and Hecameg) have no significant cytotoxic/ irritant effects on reconstituted human epidermis at 1000 ig/mL after 48 h of topical application. Discussions have been made according to the results of experiments to establish possible structures/ physico-chemical properties - cytotoxicity relationships of these surfactants

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Barel, Monique. "Structure et fonctions de gp 140 : le recepteur pour le fragment c3d du troisieme composant du complement et pour le virus d'epstein-barr present a la surface des lymphocytes b humains." Paris 6, 1987. http://www.theses.fr/1987PA066143.

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Taileb, Saïd. "Vers des simulations numériques prédictives des détonations gazeuses : influence de la cinétique chimique, de l’equation d’etat et des effets tridimensionnels Influence of the chemical modeling on the quenching limits of gaseous detonation waves confined by an inert layer Computation of the mean hydrodynamic structure of gaseous detonations with losses Numerical study of 3D gaseous detonations in a square channel." Thesis, Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique, 2020. http://www.theses.fr/2020ESMA0012.

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Abstract:

La présente étude s’inscrit dans le cadre général des simulations numériques des détonations dans des conditions non-idéales. Les configurations abordées correspondent à des écoulements rencontrés dans les accidents industriels ainsi que dans les moteurs à détonation rotative, dans lequel le combustible est injecté à des pressions élevées dans un milieu confiné par des gaz inertes. Les simulations conduites reposent sur un code de simulation numérique RESIDENT (REcycling mesh SImulation of DEtonations) développé à l’Institut Pprime. Il s’appuie sur des schémas numériques d’ordre élevé adaptés à la capture des chocs, avec un schéma d’interpolation MP d’ordre 9, un solveur HLLC-M et une intégration temporelle de Runge-Kutta d’ordre 3. Dans un premier temps, l’influence des équations d’état (EOS) sur la structure cellulaire de la détonation a été étudiée avec les deux EOS : gaz parfaits et Noble-Abel. Les résultats ont montré que l’interaction d’une ligne de glissement avec un ensemble de points triples est responsable de la création d’un nouveau point triple. L’augmentation du coefficient isentropique post-choc inhibe l’apparition de ces instabilités et régularise la structure cellulaire. Ce résultat tire son importance du fait que la structure cellulaire conditionne les règles empiriques de dimensionnement. Dans un second temps, l’influence de la modélisation de la cinétique chimique sur la structure de la détonation et ses limites d’extinction a été étudiée à l’aide de trois schémas cinétiques de complexité croissante : chimie à une étape globale, à trois étapes et chimie détaillée. Malgré les similitudes sur la dynamique du front et sur la structure cellulaire, les résultats présentent des différences significatives lorsque la détonation est soumise à des pertes latérales par un confinement par gaz inerte.Cette étude met en évidence l’impact du modèle cinétique sur la prédiction des limites d’extinction des détonations observées expérimentalement. Finalement, l’influence des effets tridimensionnels sur la dynamique de la détonation a été étudiée. Des comparaisons de simulations 2-D et 3-D ont été effectuées dans le cas d’une configuration d’une détonation marginale et d’une détonation semi-confinée. Malgré les différences dans la topologie de l’écoulement,des similitudes ont été observées dans la structure moyenne lorsque la détonation est idéale. L’analyse de l’énergie des fluctuations totale a révélé que les fluctuations d’entropie sont plus importantes que les fluctuations totales de pression. Dans le cas de la détonation semi-confinée, les effets 3-D se manifestent par un déficit de vitesse moindre qu’en 2-D lorsque la détonation se propage à la même hauteur réactive. Le déficit de vitesse est alors corrélé au rapport de l’épaisseur hydrodynamique avec le rayon de courbure, malgré une courbure moyenne plus importante du front en 3-D
This study is part of the general framework of numerical simulations of detonations under non-ideal conditions.The configurations discussed correspond to flows encountered in industrial hazards and rotating detonation engines.Simulations are based on an inhouse code RESIDENT (REcycling mesh SImulation of DEtonations) developed at the Pprime Institute. It is based on high-order shock capturing schemes, with a MP9 interpolation scheme, a HLLC-M solver and a 3rd Runge-Kutta time integration. At first, the influence of the equation of state (EOS) on the cellular detonation structure has been studied with two EOS : Perfect gas and Noble-Abel. The numerical results have shown that new triples points are generated from the interaction of a slip line with already existing triple points. The increase of the post-shock isentropic coeffient has inhibited the appearance of these instabilities and has regularized the cell structure. This results may be important as engineering correlations are based on the cell size and regularity. Secondly, the influence of chemical modelling on the structure of the detonation and its extinction limits were studied using three kinetic models of increasing complexity : single-step, three-step chain-branching and detailed chemistry. Despite the macroscopic features are similar, the outcome of the critical height of a detonation confined by an inert layer is significantly different, highlighting the impact of the kinetics in predicting the extinction limits observed in experiments. Finally, the influence of three-dimensional effects on the dynamics of detonation was studied. Comparisons of 2-D and 3-D simulations are carried out in the case of marginal and semi-confined detonations. Despite the differences observed in the flow topology, similarities were found in the mean structure when the detonation propagation is ideal. The analysis of the total fluctuation energy revealed that entropy fluctuations are more important than pressure fluctuations. In the case of semi-confined detonation, 3-D effects manifests a smaller velocity deficit than in 2-D when the detonation propagates at the same reactive height. The velocity deficitis correlated to the ratio of the hydrodynamic thickness to the radius of curvature, despite the higher average curvature of the 3-D front

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Chen, Guang-Liang, and 陳廣亮. "3D Printable Porous Shoe Midsole Design with Cellular Structures Based on Truss Optimization and Voxel Post-Processing." Thesis, 2019. http://ndltd.ncl.edu.tw/handle/cg5yt9.

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Abstract:

碩士
國立臺灣科技大學
機械工程系
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Topology optimization (TO) is a method of structural optimization which widely used in many fields. The concept of TO is to get the best structure in the design domain under the volume constraints. Before additive manufacturing (AM) evolved to become a common method to produce components, the complicate topology structure is hard to be fabricated. However, AM was substantial growing in the past decades and the difficulty of topology structure fabrication had been dramatically reduced. Therefore, more and more topology structure can be used in our daily life. Now, some researcher started to use TO to design porous midsole structure. In order to calculate with high precision, the design needs amounted mesh in finite element and thus the computation task is very heavy. This research presents a fast approach of porous midsole design which is based on truss size optimization and post-processing of voxelization and gets the optimal porous-like structure. The algorithm flow starts with building the truss in the design domain and clustering the truss member by simulating each member stress with loading. Then it uses clustering optimization algorithm to find the best size of each truss member. After that, the algorithm uses Boolean operation to unite all members of the truss and 3D blur convolution to fillet the truss structure and compensate the volume error. In the final, we use two shoe lost to verify the feasibility of this methods and the results show that this is a fast and efficiency manner.

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Ханыкова, Е. В., and E. V. Khanykova. "Аддитивные технологии 3d печати в производстве титановых имплантатов и испытание полученных материалов на пластическое сжатие : магистерская диссертация." Master's thesis, 2018. http://hdl.handle.net/10995/63676.

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Abstract:

The subject of the study is a titanium implant. The research method consists in the approximate solution of the boundary value problem by the finite element method in the ABAQUS software module. A patent and literature search in the field of application of additive technologies in the production of implants. The first section presents the results of the review. Were considered methods of additive manufacturing and methods of testing porous materials, the results are described in the second section. A description of the test for precipitation of a porous implant and a finite element simulation of the process of precipitation of cellular material have been carried out. As a result, the distribution scheme of the parameters of the stress-strain state was constructed, which allows estimating dangerous sections from the standpoint of structural failure. The obtained data can be applied in building the architecture of a set of unit cells with a description of the stress-strain state.
Предметом исследования является титановый имплантат. Метод исследования состоит в приближенном решении краевой задачи методом конечных элементов в программном модуле ABAQUS. Проведен патентно-литературный поиск в области применения аддитивных технологий в производстве имплантатов. В первом разделе представлены результаты обзора. Были рассмотрены методы аддитивного производства и способы испытания пористых материалов, результаты описаны во втором разделе. Проведено описание испытания на осадку пористого имплантата и конечно-элементное моделирование процесса осадки ячеистого материала. В результате чего была построена схема распределения параметров напряженно-деформированного состояния, которая позволяет оценить опасные сечения с позиции разрушения конструкции. Полученные данные могут быть применены в построении архитектуры набора элементарных ячеек с описанием напряженно-деформированного состояния.

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Pilarski, Patrick Michael. "Computational analysis of wide-angle light scattering from single cells." Phd thesis, 2009. http://hdl.handle.net/10048/774.

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Abstract:

Thesis (Ph.D.)--University of Alberta, 2009.
Title from PDF file main screen (viewed on Apr. 1, 2010). A thesis submitted to the Faculty of Graduate Studies and Research in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy, Department of Electrical and Computer Engineering, University of Alberta. Includes bibliographical references.

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Dissertations / Theses on the topic '3D cellular structures'

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