Academic literature on the topic 'Vaisseaux sanguins – Propriétés mécaniques'

Le génie tissulaire vise à remplacer, réparer ou reproduire un organe ou un tissu pour des fins de chirurgie reconstructive ou de remplacement et pour servir de modèle d’étude et de recherche. Les substituts vasculaires produits par génie tissulaire peuvent être partiellement caractérisés en mesurant certaines de leurs propriétés mécaniques telles que la pression d’éclatement et la compliance et en les soumettant à des essais de fatigue et de fluage. La mesure des ces caractéristiques permet de vérifier que la méthode de fabrication produit des substituts vasculaires présentant des caractéristiques d’ordre physiologique. Un système permettant la mesure de ces propriétés mécaniques de manière fiable, précise et répétitive a été conçu et fabriqué. Ce système contrôlé par ordinateur soumet les substituts à des pressions hydrodynamiques dont les valeurs sont enregistrées de façon synchronisée avec les mesures de diamètre du substitut. L’analyse des données produites permet de calculer les propriétés mécaniques d’intérêts.
Tissue engineering presents a promising approach for producing tissues to replace, repair or reproduce tissues and organs to be used for reconstructive surgery or as a research model. Tissue engineered vascular constructs can be partially characterized by measuring certain mechanical properties such as burst pressure and compliance and submitting them to creep and fatigue tests. Measuring these mechanical properties allows researchers to assess a method’s capability of producing vascular constructs possessing mechanical properties similar to those of native vessels. A system to measure these important mechanical properties in a reliable, precise and repeatable manner was designed and built. The computer controlled system exposed the vascular constructs to various hydrostatic pressures and simultaneously recorded the construct’s internal pressure and external diameter. These values are then used to calculate the mechanical properties of interest.

Ce travail a pour but de quantifier et d’interpréter l’incidence de l’activité musculaire sur le retour veineux du membre inférieur avec en arrière plan le cadre du modèle des conduites collabables. La principale observable est le débit veineux dans la veine fémorale commune, mesuré par échographie Doppler. Le mouvement est quantifié à l’aide d’une chaîne de mesure classique (goniomètre, accéléromètre et plateau de force). L’activité musculaire est détectée par électromyographie de surface. Les résultats montrent qu’à travers la compliance veineuse les activités musculaires ont une forte incidence sur le retour veineux. L’activité musculaire et la chasse veineuse du membre inférieur sont corrélées en deçà d’une saturation où toute augmentation de l’intensité de contraction demeure sans effet significatif. Il s’ensuit, grâce au calcul des lois d’état des principales veines de la cuisse, une relation entre volume de sang chassé et pression périveineuse. Une autre partie de ce travail porte sur l’étude des effets du port de contention. Au repos, une contention de classe II provoque une diminution du débit moyen de retour d’environ 30 %. Au cours de mouvements, il semble que la contention favorise la chasse veineuse : la tendance observée est à l’augmentation nette des chasses normalisées. Les résultats montrent notamment un rendement accru de la pompe musculaire crurale
The purpose of this study is to quantify the influence of muscular activity on venous return in the lower limb. In background, it combines the biomechanics of movement and theory of collapsible tubes. Venous flow rate was measured by echo duplex scan on the Common Femoral Vein which stands for the lower limb venous network output. Movement parameters were controlled by goniometers, accelerometers and a force plate. Muscular activity was measured by surface electromyography. It is shown that muscular activities have a large influence on venous return via the veins’ compliance. A correlation between muscular activity and lower limb venous outflow has been established, but results showed a limit of saturation afterwards any augmentation of muscular contraction had no significant effect on venous outflow. In addition, expulsed volume of blood and venous external pressure has been correlated. A part of this study concerns about the effects of contention stockings on venous return. At rest, venous flow rate decreases of 30 % under type II contention. When executing movements, wearing contention stockings seems to increase the normalized venous flow rate. In particular, those results were unlighted by experiments on the voluntary contraction of crural muscles

Les maladies cardiovasculaires représentent une des principales causes de décès dans le monde et différentes actions sont en place depuis des décennies pour comprendre les mécanismes d’action de ces maladies et leur impact sur le corps humain. Dans l’optique de venir en aide aux personnes souffrant de ces maladies, le génie tissulaire vasculaire émerge comme une technologie prometteuse afin de favoriser la régénération des tissus et des organes endommagés. Cependant, les modèles issus du génie tissulaire, en plus d’être biologiquement et chimiquement comparables au tissu natif, doivent également présenter des propriétés mécaniques permettant aux modèles de répondre aux différentes fonctions physiologiques. Dans cette optique, il est nécessaire de concevoir, optimiser et développer une série d’essais permettant de vérifier les performances mécaniques des constructions regénérées. De nombreuses approches ont été déployées dans ce domaine contenant chacune ses avantages et ses inconvénients, mais il n’existe pas, à l’heure actuelle, aucun standard sur le protocole des essais mécaniques à préconiser avec un échantillon spécifique. Dans ce contexte, le projet de ce mémoire a été de concevoir et de valider des protocoles de caractérisation mécanique non-conventionnels appliqués spécifiquement à des tissus vasculaires. Tout d’abord, un protocole pour la caractérisation mécanique de gels de collagène en configuration plane à été développé. Ensuite, ce protocole à été étendu pour la modélisation numérique afin d’étudier l’applicabilité d’un modèle poro-viscoélastique. Par la suite, des protocoles expérimentaux ont été développés afin de permettre la densification de gel de collagène ainsi que leur caractérisation mécanique. Enfin, une caractérisation expérimentale d’aortes de souris calcifiées à été réalisée. Dans son ensemble, l’étude exécutée dans le cadre de cette maîtrise à permis l’approfondissement des connaissances dans le domaine de la caractérisation mécanique des tissus mous viscoélastiques. Ce mémoire présente également d’autres techniques de caractérisation mécanique pour différents types de tissus vasculaires. D’autres protocoles de tests développés dans le cadre de collaboration avec d’autres groupes de recherche sont décrits dans ce mémoire.
Cardiovascular diseases represent one of the principal causes of death worldwide. It is therefore of high importance to improve our understanding of their mechanisms of action and their impact on health. To help people suffering from these diseases, tissue engineering is emerging as a promising technique for developing regenerated constructs to replace diseased tissues and organs. However, apart from being biologically compatible, the developed construct also needs to have mechanical properties like the one of native tissues. It is therefore necessary to perform mechanical characterization on the tissue engineered construct to validate its suitability. When it comes to mechanical characterization, a lot of approaches are used by different research groups as there is absolutely no standard in this field. In this context, the objective of this thesis is to develop and validate non-conventional mechanical characterization protocols specific to soft tissues for vascular application. First, a testing protocol was developed to characterize disk-shaped collagen gel samples. Secondly, the same collagen gel, but in tubular geometry, were densified and also characterized. Finally, a mechanical testing protocol and device was developed in order to characterize very small caliber blood vessels, such as mouse aortas. This thesis also presents other techniques for mechanical characterization used for vascular tissue, as along with protocols developed in the process of external collaboration with different research groups.

Recréer des tissus en laboratoire pour remplacer ou améliorer la fonctionnalité d’un organe défaillant, ou créer un tissu modèle pour tester de nouveaux médicaments comme alternative aux expérimentations animales, n’est plus aujourd’hui du domaine de la science fiction. L’ingénierie tissulaire vasculaire s’appuie sur la capacité des cellules à régénérer un néo-tissu lorsque placées dans des conditions de culture appropriées. Face au manque de vaisseaux sanguins autologues lors de pontages coronariens ou périphériques, elle apporte un nouvel espoir de plus en plus concret quant à la création de substituts en laboratoire pour le remplacement de vaisseaux sanguins de petit diamètre (< 6 mm). L’approche adoptée dans le cadre de cette thèse consiste à utiliser une protéine naturelle, le collagène, comme support de la croissance des cellules vasculaires, acteurs majeurs de la régénération tissulaire. Cependant, en dépit des grandes performances biologiques du collagène (reconstitué en laboratoire), son utilisation est limitée par un manque de propriétés mécaniques. L’objectif de cette thèse est de renforcer les structures de collagène supportant les cellules, afin de pouvoir soumettre ces dernières à des stimulations mécaniques et biochimiques requises pour la maturation du tissu en croissance et appliquées dans un bioréacteur "dynamique". Dans un contexte où aucune norme de caractérisation mécanique des hydrogels n’existe, cette thèse a permis de définir les conditions les plus appropriées pour évaluer les comportement mécanique et viscoélastique des échafaudages de collagène seuls : ils doivent être testés dans un environnement pseudo-physiologique (bain de PBS à 37°C) sans préconditionnement mécanique, et mesurés en relaxation de contrainte, qui permet notamment d’accéder au module élastique, paramètre important lorsqu’un matériau subit des sollicitations mécaniques cycliques. Par la suite, et après avoir montré les effets modérés d’un agent de réticulation physique (exposition aux UVs), le développement d’un bioréacteur dit « statique » a permis de mettre en évidence le fort potentiel des cellules musculaires lisses à renforcer les structures tubulaires de collagène lors d’une période de culture statique. Les résultats des techniques de caractérisation mécanique spécifiquement développées et des techniques d’imagerie microscopique montrent qu’à l’issue de cette culture la réorganisation des cellules ainsi que des fibrilles de collagène s’accompagnent d’un remarquable renforcement mécanique et viscoélastique de la construction artérielle, prête à être placée dans un bioréacteur dynamique. Dans la perspective de la régénération tissulaire, outre l’importance de la relation structure-propriété et des interactions cellulesmatrice extracellulaire, ce projet souligne le rôle primordial de la culture en conditions statiques avant la culture dans un bioréacteur dynamique.
Designing biological tissues in laboratory in order to replace or improve the functionality of a failing organ, or create a tissue which could be a model to test new medicinal formulations as alternative to animal experiments, is no longer a dream and is worth being considered. Tissue engineering is based on the ability of cells to regenerate a neo-tissue when cultured in adequate culture conditions. To address the lack of autologous blood vessels for peripheral or coronary bypass, vascular tissue engineering brings new hopes in creating substitutes in vitro in order to replace small diameter blood vessels (< 6 mm). The scientific approach of this thesis work consists in using a natural protein, collagen, as a scaffold to make the vascular cells proliferate. The main objective of this thesis is to reinforce the collagen structures supporting cells, in order to be able to mechanically and biochemically stimulate them during the maturation of the growing tissue in a "dynamic" bioreactor. It is noteworthy to point out that there is no standard method to mechanically characterize hydrogels. This thesis work managed to define the most adequate conditions to estimate the mechanical and the viscoelastic properties of collagen scaffolds: they must be tested in a pseudo-physiological environment (PBS bath at 37°C) without mechanical preconditioning and measured in stress relaxation, which gives the elastic modulus, an important parameter to consider when a material is subjected to cyclic mechanical stimulation. Then, after having shown relative effects of a physical reticulation agent (UVs exposure), the development of a "static" bioreactor showed the high potential of smooth muscle cells to reinforce the tubular collagen structure during a static culture period. The results of the mechanical characterization techniques specifically developed for this project, and microscopic imaging techniques, show that at the end of this culture period, the reorganization of the cells and of the collagen fibrils leads to a noteworthy mechanical and viscoelastic reinforcement of the vascular construct, mature enough to be put in place in a dynamic bioreactor. In the perspective of tissue regeneration, and considering the importance of the structure-properties relations and cells-extracellular matrix interactions, this thesis project establishes the important role of the static culture period preceding the culture period in the dynamic bioreactor.

Le besoin de substituts pour vaisseaux sanguins de petit calibre a attiré une attention considérable sur le développement de constructions artérielles dans des bioréacteurs à partir de systèmes d’échafaudage. Les gels formés à partir de collagène reconstitué représentent des substrats idéaux pour le remodelage du à l’activité cellulaire, mais leur faible résistance et élasticité limitent leur utilisation comme échafaudages pour la régénération du tissu vasculaire. Ces caractéristiques proviennent de la perte d’organisation structurelle liée au processus d’extraction du collagène. Dans ce contexte, l’objectif de ce projet était d’améliorer les propriétés mécaniques des gels de collagène afin de supporter la croissance et la maturation du tissu vasculaire sous contrainte cyclique. En considérant l’importance de l’état d’agrégation du collagène pour les propriétés mécaniques des tissus natifs, la stratégie de ce projet a été de modifier la microstructure des matrices de collagène reconstitué en agissant sur trois aspects : 1) les interactions intermoléculaires et la fibrillogenèse ont été ajustées en variant les paramètres expérimentaux (pH, température, force ionique et concentration du collagène); 2) des liaisons covalentes ont été introduites afin de fixer des fibrilles voisines; 3) les gels ont été compactés et les fibrilles alignées grâce à l’action de remodelage des cellules. Des mesures de spectrophotométrie et des images par MEB ont confirmé les effets des conditions expérimentales et du remodelage sur la microstructure des gels. Notamment, la présence des cellules a permis la formation de matrices plus compactes et orientées, surtout en présence de contraintes mécaniques. Des essais mécaniques ont démontré que les stratégies adoptées ont engendré le renforcement de la structure. En particulier, des essais cycliques ont établi que la variation des conditions expérimentales combinée à la réticulation ont produit des matrices dont l’hystérèse diminue et l’élasticité augmente. En conclusion, l’ensemble de ces études a permis la réalisation à court terme (24-48 h) de structures à base de collagène présentant une résistance mécanique, une rigidité et une élasticité accrues. Ces résultats suggèrent que ces matrices sont de bons candidats comme supports pour la régénération de tissus vasculaires sous conditionnement cyclique.
The need for small-caliber vascular replacements has attracted considerable attention on the development of scaffold-based vascular constructs in bioreactors. Reconstituted collagen gels represent ideal substrates for cell-mediated remodeling, but their low strength and low elasticity, limits their application as scaffold for the regeneration of the vascular tissue. These features result from collagen extraction and the consequent loss of structural organization. The objective of this project was to improve the mechanical performances of collagen gels in order to support the growth and the maturation of the vascular tissue under cyclic conditioning. Considering how fundamental collagen assembly is for the mechanical behavior of native tissues, the microstructure of reconstituted collagen lattices was modified by working on three aspects: 1) The intermolecular interactions and the aggregation of collagen monomers were tailored by modulating the experimental conditions, including pH, temperature, ionic strength and collagen concentration; 2) Inter-fibril crosslinking was carried out in order to fix neighboring collagen fibrils through their reactive side chains; 3) Gels were compacted and fibrils were aligned through cell-mediated remodeling. Spectrophotometric analyses and SEM confirmed the effects of changes in experimental conditions and cell-mediated remodeling on collagen gels microstructure. Notably, the presence of SMCs lead to tighter and highly oriented lattices, moreover in the presence of mechanical constraints. Mechanical tests showed that the adopted procedures contributed to the stiffening of collagen lattices. In particular, the modulation of the experimental conditions combined with crosslinking lead to lattices presenting lower hysteresis and higher elasticity as shown by cyclic tests. In conclusion, this study produced, in a short time (24-48 h), collagen gel-based lattices with improved stiffness, strength, and elastic recoil. The results suggest that these lattices are serious candidates for the role of temporary supports during the maturation period under cyclic loading.

Les hématomes sous–duraux aigus (HSDA) sont des agglomérations sanguins dans l’espace sous–dural. Ils sont généralement associés à la déchirure des veines ponts (VPs) provoquée par le mouvement relatif cerveau–crâne. Dans cette étude, on a essayé de développer un outil analytique pour être utilisé dans l’étude des HSDA causés par la déchirure des VPs. La technique d’homogénéisation par développement asymptotique a été appliquée, à l’échelle macro–méso, pour trouver les propriétés mécaniques effectives de la région d’interface cerveau–crâne. Ces propriétés sont ensuite intégrées dans un modèle par éléments finis de la tête humaine dans l’ordre d’obtenir le comportement mécanique global des éléments interfacials et la déformation des VPs. Le comportement mécanique dans le segment sous–arachnoïdien et le segment sous–dural de la veine a été aussi calculé. De plus, une approche d’homogénéisation de type inclusion, à l’échelle méso–micro, a été appliqué sur la paroi de la veine pour trouver les niveaux de contraintes et de déformations dans les fibres de collagène et la matrice d’élastine. Finalement un critère de rupture des VPs a été établi pour définir l’endroit exact de la déchirure des veines et les valeurs limites, en termes d’accélération rotatoire de la tête humaine, causant cette rupture
Acute subdural hematoma (ASDH) is a potentially devastating, yet curable extra axial fluid collection within the potential subdural space. It is classically associated with tearing of the bridging veins (BVs) caused by the brain–skull relative motion. In the current work, we tried to develop an analytical tool to be used in the prediction of ASDH arising from this type of lesion. The homogenization technique based on asymptotic expansion was applied, on the macro–meso scale, in order to find the effective mechanical properties of the brain–skull interface region. These properties were then incorporated into a finite element model of the human head to get the global stress–strain behavior in the elements of the interface region and the stretch strain in BVs. In addition, the mechanical behavior of the subarachnoid and subdural portions of the BV was investigated. Moreover, a meso–micro homogenization technique was applied on the BV wall to get the local mechanical behavior within the collagen fibers and the elastin matrix. Finally, a failure criterion for the BVs was developed defining the rupture location and the threshold of the rotational acceleration of the human head that cause the failure of the vein

Les perspectives d'évolution des techniques chirurgicales sont de plus en plus demandeuses de modèles permettant de prédire déplacements et contraintes au sein des tissus. De tels modèles permettent par exemple de mieux focaliser un traitement sur une zone de tissu affectée par une pathologie. L'un des principaux obstacles posés par la plupart des modèles existants adaptés à la description du comportement mécanique des tissus vivants concerne la difficulté de mesure de leurs paramètres. Il en résulte une difficulté à les déterminer, ainsi qu'à comprendre leur influence. L'adoption d'une modélisation multiéchelles permet d'apporter une réponse satisfaisante à ce problème. En effet, elle autorise la prise en compte et lacombinaison de phénomènes simples qui ont lieu à différentes échelles, et fait ainsi intervenir des paramètres physiques et mesurables. Dans l'étude proposée, nous nous focalisons sur le comportement mécanique des parois des veines en pont, qui peuvent parvenir à rupture lors d'un choc appliqué à la tête. Nous proposons pour commencer des observations par microscopie optique, microtomographie X et microscopie confocale biphotonique visant à caractériser la structure de la paroi vasculaire à différentes échelles. Un essai mécanique est combiné à l'une des observations. Nous proposons ensuite une nouvelle modélisation multiéchelles du comportement mécanique de cette paroi vasculaire. Cette modélisation combine des modèles simples à trois échelles et reproduit ainsi le comportement mécanique global de la paroi vasculaire. Pour finir, le modèle est intégré à une modélisation par éléments finis afin de permettre l'étude de géométries complexes.

La thèse s’axe sur l’identification des propriétés mécaniques des artères faciales. Elle s’inscrit dans le cadre du projet FlowFace, qui porte sur l’étude du réseau artériel facial par Imagerie de Résonance Magnétique (IRM). Elle s’appuie sur une campagne de mesures effectuées sur un échantillon de 30 témoins au CHU d’Amiens, qui a permis d’obtenir de manière non invasive l’évolution de la déformation des vaisseaux, ainsi que la mesure des débits les parcourant. Des pressions diastoliques et systoliques ont été mesurées au niveau du bras, indépendamment des mesures IRM. L’objectif de la thèse a été de modéliser la déformation patient-spécifique des vaisseaux sanguins et de mettre en place une technique d’optimisation, afin de déterminer leurs propriétés mécaniques par analyse inverse. Des simulations du comportement des vaisseaux sanguins ont été réalisées au moyen des logiciels d’ANSYS Inc., en modélisant les interactions fluide-structure aussi bien en couplage fort que faible. L’objectif a été de déterminer les déformations pariétales induites par les conditions hémodynamiques, ainsi que les pertes de charge dans les vaisseaux considérés. Les simulations ont mis en jeu des modèles hyperélastiques grande déformation pour simuler le comportement des parois. Les déplacements prédits par le modèle numérique ont été comparés aux déplacements expérimentaux mesurés par IRM. Les propriétés mécaniques des vaisseaux ont été identifiées au moyen de la technique d’optimisation proposée dans la suite ANSYS et basée sur les algorithmes de gradient et algorithmes génétiques. La méthode d’identification a été validée sur des fantômes de vaisseaux, consistant en des tubes cylindriques en élastomère, et pour lesquelles des mesures de déformation sous écoulement pulsé ont été acquises par imagerie IRM. Les valeurs des propriétés mécaniques ainsi déterminées ont été comparées à celles obtenues par tests de traction et tests de dilatation. Un des points cruciaux de l’identification a consisté en la détermination de l’état non pré-contraint. S’il est un paramètre connu pour les fantômes de vaisseaux, il est à déterminer pour les vaisseaux natifs. Le challenge de cette thèse a aussi été de déterminer les propriétés hyperélastiques des vaisseaux sanguins à partir des valeurs systoliques et diastoliques de pression et déformation. La méthode a permis de conclure que le module tangent en diastole avoisine 200 KPa alors que celui en systole se trouve dans un intervalle entre 300 KPa et 1 MPa
This thesis is based on identifying the mechanical properties of facial arteries. It is part of FlowFace project, which focuses on the study of the facial arterial system by MRI imaging. It is based on a measurement campaign conducted on a sample of 30 people at the Hospital of Amiens, which allowed obtaining noninvasively the evolution of the blood vessel deformation and the measurement of the flow. Diastolic and systolic pressures were measured at the arm independently of the MRI measurements. The aim of the thesis was to model the deformation of blood vessels and to implement an optimization technique to determine their mechanical properties by inverse analysis using MRI measurements of deformation. Simulations of the behavior of the blood vessels were performed, using ANSYS Inc. software, modeling fluid-structure interactions both strong and weak coupling. The objective was to determine the parietal deformations induced by hemodynamic conditions and pressure drops in the vessels concerned. The simulations involved hyperelastic and large deflection models to simulate the behavior of the wall. They allow calculate the numerical displacements that we compared with experimental displacements measured by MRI, the aim is that the difference between numerical and experimental be as low as possible to deduce the adequate mechanical parameters for the artery. To identify the mechanical properties of the vessels, the optimization technique proposed in ANSYS based on genetic algorithms or gradient algorithms was used. The identification method was validated on cylindrical tubes (elastomer), for which deformation measurements were acquired by MRI imaging under pulsating flow. The values of mechanical properties determined were compared with those obtained by traction tests and dilatation tests. One of the crucial points of identification involves the determination of the non-stress state. If it is a known parameter for the elastic tube, it has to be determining for blood vessels. The challenge of this thesis is to determine from a "minimum" quantity of pressure and deformation information, the hyper-elastic properties of blood vessels. The method based on a patient-specific geometry deformation concluded that the tangent modulus in diastole is approximately 200kPa while that in systole is in a range of 300 kPa to 1 MPa

La plupart des tubulaires utilises de nos jours et destines a être places en contact avec le sang (cathéters, prothèses vasculaires, etc. ) Sont fabriques a partir de polymères tels que le poly(tetrafluoroethylene) et le poly(terephtalate d'éthylène). Bien que ces derniers soient parmi les moins thrombogènes, leur utilisation entraîne fréquemment des complications telles que la formation de thrombine. Le travail de cette thèse a consiste a synthétiser des polymères dérivés du poly(chlorure de vinyle) présentant des propriétés anticoagulante heparin-like, c'est a dire capable de catalyser la réaction d'inhibition de la thrombine par l'antithrombine et de ce fait d'empêcher la formation de thrombine. De nombreux polymères de compositions variées ont été preparés et testes afin de déterminer leur activité anticoagulante. Les tests sont bases sur la mesure de l'allongement du temps de thrombine d'un plasma pauvre en plaquettes en présence de polymère. La surface accessible aux protéines de ces polymères étant un paramètre déterminant, elle a été déterminée, pour chaque échantillon, selon une méthode mise au point. Les résultats d'activité anticoagulante spécifique obtenus montrent que ces polymères présentent une activité comparable a celle de matériaux heparin-like précédemment testes et les relations activité-composition des polymères ont été établies. Des études d'adsorption de thrombine ont confirme que cette protéine présente une forte affinité pour les surfaces de ces polymères ; une relation a été établie entre l'adsorption de thrombine et l'activité anticoagulante. Ces matériaux ont été mis en forme sous forme de films et de tuyaux. Les expériences d'adsorption de thrombine et de catalyse de la réaction thrombine-antithrombine ont montré que, dans certaines conditions, les propriétés heparin-like peuvent être mise en évidence.