Biomatériaux pour la reconstruction osseuse
Ref: 1SC2291
Description
L'enseignement Biomatériaux pour la reconstruction osseuse est l'un des 4 Enseignements d'Intégration (EI) qui concluent la Séquence Thématique n°2 (ST2)
Bioingénierie: Produire, Protéger, Réparer. Il relève plus particulièrement du volet
Réparer.
Une problématique relevant de la santé publique
L'excellente capacité naturelle de guérison des os, combinée à une immobilisation du membre, suffit à reconstruire la plupart des fractures. Cependant, dans certains cas cliniques tels que des événements traumatiques graves avec perte de substance ou des grandes résections de pièces osseuses suite à une pathologie (tumeur), le processus de réparation naturelle peut être très lent voire totalement inefficace. Pour ces cas orthopédiques difficiles, une greffe osseuse est obligatoire. Dans le cas de reconstructions grandes ou multiples, le volume de matière osseuse autologue disponible peut s’avérer insuffisant. Dans ce contexte, l’INSERM développe une thérapeutique alternative pour laquelle les copeaux osseux sont remplacés par un biomatériau synthétique microporeux à la fois cellularisable et résorbable.
Des biomatériaux à propriétés optimisées, vite !
Le développement d’un biomatériau jusqu’à l’application clinique est long et coûteux. Afin d’accélérer ce processus, le laboratoire LVTS de l’INSERM et les laboratoires LMPS et LGPM de CentraleSupélec mettent en œuvre une stratégie de conception et d’optimisation en rupture avec l’approche empirique traditionnelle. Cette stratégie nouvelle s’appuie sur l’ingénierie des bioréacteurs, la modélisation multiphysique et la simulation numérique. Les bioréacteurs permettent d’étudier in vitro la réparation d’un défaut osseux. La simulation numérique permet d’examiner l’influence de la microgéometrie du biomatériau sur cette réparation. La combinaison de ces outils devrait permettre d’optimiser efficacement les propriétés et la microarchitecture du biomatériau avant de passer à l’expérimentation in vivo plus longue et plus coûteuse.
Modélisation multiphysique du bioréacteur
L’enseignement porte sur la modélisation de la prolifération cellulaire au sein du biomatériau. Dans le bioréacteur, le biomatériau est infiltré par un liquide de perfusion qui (i) apporte les nutriments et l’oxygène nécessaires aux cellules, (ii) élimine les déchets qu’elles produisent et (iii) exerce une contrainte de cisaillement sur les cellules qui stimule leur prolifération. L’enseignement abordera différentes facettes de la modélisation multiphysique : (i) la caractérisation et la représentation géométrique du biomatériau microporeux, (ii) l’hydrodynamique au sein des pores, (iii) le transport d’espèces chimiques (oxygène et glucose), (iv) la prolifération cellulaire et (v) le couplage entre ces phénomènes.
Numéro de trimestre
ST2
Prérequis
Aucun prérequis
Syllabus
- Présentation du projet
- Contexte de l'ingénierie tissulaire
- Notion de bioréacteurs
- Focus sur le bioréacteur du projet
- Analyse du problème
- Estimation des différentes échelles de temps et d’espace mises en jeu
- Choix des échelles pertinentes
- Identification des « briques élémentaires » du modèle
- Identification des données nécessaires
- Recherche bibliographique
- Description du biomatériau
- Analyse d'images 3D du biomatériau
- Caractérisation de sa structure poreuse
- Expérimentation/confrontation au réel
- Initiation à la culture cellulaire
- Détermination de la cinétique de prolifération en conditions statiques
- Modélisation à l'échelle du pore
- Hydrodynamique
- Transfert d'espèces
- Prolifération cellulaire
- Modélisation à l’échelle du bioréacteur
- Approche PNM, Pore Network Model
- Calcul de la perméabilité
- Implémentation numérique
- Algorithme de résolution
- Validation du modèle sur des configurations de test
- Etude paramétrique:
- Ajustement de la microgéométrie et des conditions opératoires
- Optimisation la cellularisation
Composition du cours
Biomatériaux pour la reconstruction osseuse est une activité pédagogique de type
Problem solving. Elle permet de se confronter au caractère multiphysiques et multi-échelles des problèmes de bioingénierie, en mettant en oeuvre les concepts introduits dans les cours de base de la
ST2 Bioingénierie et dans les cours communs de mathématiques et d'informatique.
L'enseignement est programmé sur une semaine "bloquée" (5 jours consécutifs). Il commence par une demi-journée de lancement de projet (lundi matin). Pendant la semaine, les étudiants travaillent par groupes de 4, encadrés par une équipe de chercheurs et d’enseignants-chercheurs des laboratoires LGPM et LMPS. Chaque groupe aborde les différentes facettes de la démarche de modélisation et se confronte au réel dans le cadre de travaux pratiques de culture cellulaire.
Des points d'avancement seront réalisés quotidiennement: mise en commun des informations, apport méthodologique, compléments de cours. Le semaine se termine par une séance de restitution le vendredi après-midi en présence D. Letourneur (DR-CNRS), directeur du laboratoire LVTS (INSERM).
Notation
La note finale de l'EI prendra en compte: l'assiduité individuelle, l'implication du groupe, la pertinence du modèle, son implémentation numérique, la qualité de la programmation, la présentation orale, le rapport.
Les compétences C1 et C7 sont validées si la note finale de l'EI est supérieure ou égale à 14/20.
La compétence C4 est évaluée par le jury (incluant le client) sur une échelle de 1 à 4. Le seuil de validation est de 3.
La compétence C8 est évaluée par les encadrants.
Ressources
- Equipe enseignante : H. Duval (PR, CS, Département MEP, LGPM), B. Taidi (PR, CS, Département MEP, LGPM), B. David (CR CNRS, LMPS)
- Taille de l'effectif : 28
- Outils logiciels et nombre de licence nécessaire : ImageJ (logiciel libre)
- Salles de TP (département et capacité d’accueil) : salle de culture cellulaire (LMPS), 14 étudiants dans le même temps
Résultats de l'apprentissage couverts par le cours
A l’issue du cours, les étudiants seront capables de :
1. estimer les différentes échelles de temps et d’espace mises en jeu dans un procédé ;
2. choisir l’échelle la plus pertinente pour résoudre le problème posé ;
3. distinguer et conserver les phénomènes prépondérants ;
4. réduire de façon pertinente les dimensions et la complexité d'un problème
5. établir un modèle multiphysique en agrégeant des connaissances provenant de champs disciplinaires différents (biologie, science des transferts, génie des procédés, science des matériaux, analyse d’images) ;
6. déterminer expérimentalement la vitesse de prolifération d'une lignée cellulaire ;
7. implémenter numériquement un modèle mathématique ;
8. avoir un regard critique sur un modèle et ses limitations.
9. présente de façon structurée et argumentée une démarche de modélisation.
Description des compétences acquises à la fin du cours
C1: Analyze, design, and implement complex systems made up of scientific, technological, social, and economic dimensions
C4: Create value for companies and clients
C7: Strengthen the Art of Persuasion
C8: Lead a team, manage a project
Support de cours, bibliographie
Diapositives des différentes présentations, articles scientifiques et vademecum d'expérimentation en biologie seront fournis lors du cours