Le développement et la modélisation numérique d'un bioréacteur pour l'ingénierie des tissus de grande masse

Abstract

L'ingénierie tissulaire comme domaine multidisciplinaire combine les principes et les méthodes de l'ingénierie et des sciences de la vie pour résoudre les problèmes biomédicaux dans des applications cliniques. Toutefois, le défi majeur consiste à trouver une manière de faire passer le produit d'une échelle de recherche à une plus grande échelle de production, en permettant que les tissus fonctionnels construits soient reproductibles, sécuritaires et économiquement compétitifs. Pour résoudre ces problèmes, les bioréacteurs ont été mentionnés comme essentiels afin d'améliorer l'ingénierie des tissus vivants in vitro. Pour ces raisons, l'objectif général de cette thèse est le développement d'un bioréacteur avancé et des méthodes numériques et de visualisation étant deux précieux outils pour mieux concevoir ce bioréacteur et ainsi comprendre les mécanismes. Ces mécanismes incluent les processus ainsi physiques, chimiques et biologiques dans un environnement trois dimensions (3-D), conduisant à faciliter la production, à grande échelle, de tissus fonctionnels in vitro. Pour atteindre ces objectifs, la présente thèse comprend une étude expérimentale et une étude de modélisation numérique, qui se déroulent en quatre étapes distinctes : 1) La conception et la construction d'un bioréacteur, ainsi que l'évaluation et le contrôle de son hydrodynamique. 2) la visualisation de la perfusion de l'écoulement du fluide dans le bioréacteur à membrane à fibres creuses (HFMB) en utilisant la technique d'imagerie biomédicale noninvasive (i.e. la tomographie par émission de positrons (TEP)). 3) le développement d'un modèle mathématique pour l'analyse du bioréacteur à membrane à fibres creuses hybride (hHFMB) et 4) le développement d'un modèle dynamique et TWO-POROUS-MEDIA pour analyser le HFMB à l'aide de la dynamique des fluides computationnels (CFD), spécifiquement pour les applications en ingénierie des tissus osseux. La partie expérimentale comprend l'étape 1 et 2. Dans l'étape 1, le bioréacteur à perfusion a été conçu et construit. L'évaluation de l'hydrodynamique et du contrôle a été effectuée. Dans ce système, la pression moyenne, le débit moyen, la fréquence ainsi que la forme d'onde de la pression et de l'écoulement pulsatiles peuvent être modulés et contrôlés avec le temps pour simuler des conditions physiologiques et non physiologiques. La température, l'oxygène dissous et le pH peuvent être contrôlés. Ce système de bioréacteur peut être appliqué à une variété de configurations, de géométries et de tailles de l'échafaudage du fait que le bioréacteur lui-même est réglable en longueur. Ce système est autoclavable, et compatible avec des techniques d'imagerie noninvasive médicale. La conception des ports d'entrée et de sortie du bioréacteur ont été réalisé par simulation CFD en regardant la distribution de l'écoulement, pour atteindre un niveau d'efficacité élevée dans l'uniformité de la perfusion de l'écoulement. Dans la deuxième étape, la TEP a été proposée pour la première fois pour obtenir des nouvelles informations sur les modes d'écoulement permanent et pulsé dans le HFMB pour les applications en ingénierie tissulaire. Un petit système TEP pour animaux a été utilisé. La répartition non-homogène du traceur, telle que trouvée avec la technique TEP, implique l'apparition de régions non-efficaces en ce qui concerne le transfert de masse. Pour la condition d'écoulement permanent à l'entrée, une non-homogénéité de la distribution des traceurs radioactifs a été obtenue. En revanche, l'écoulement pulsé à l'entrée génère de la perfusion uniforme mieux que pour un écoulement permanent. En outre, il a été trouvé que pour les mêmes conditions, l'accumulation du traceur dans le bioréacteur est plus faible pour l'écoulement pulsatile que pour le permanent. Par conséquent, ces résultats montrent que le TEP peut améliorer la conception du bioréacteur, et ainsi ouvrir de nouveaux axes de recherche en ingénierie tissulaire. La partie numérique comprend les étapes 3 et 4 dans lesquelles une étude numérique a été réalisée pour le tissu osseux le HFMB comme étude de cas pour la culture tissulaire à grande échelle. Dans l'étape 3, la possibilité d'utiliser le nouveau hHFMB pour la croissance des cellules souches mésenchymateuses (CSM) pour former le tissu osseux a été étudiée en utilisant des simulations numériques. Pour atteindre ce but, un modèle mathématique utilisant un code CFD a été conçu pour optimiser les paramètres de conception et de fonctionnement du hHFMB pour la croissance des CSM. La méthode de volume moyen a été utilisée pour formuler le bilan massique pour les éléments nutritifs et les cellules dans l'espace extra-capillaire poreux du hHFMB. La cellule-échafaudage dans l'espace extra-capillaire des fibres creuses et le mur de membrane ont été traités comme milieu poreux. La porosité, la perméabilité et la diffusivité qui dépendent de la fraction volumique des cellules, ont été utilisées dans ce modèle. Ces simulations ont permises la prédiction simultanée de la distribution des nutriments et de la fraction volumique des cellules qui dépend des éléments nutritifs. De plus, ce modèle a été utilisé pour étudier les effets des paramètres de conception et de fonctionnement sur la distribution des éléments nutritifs et la croissance cellulaire. Les résultats de la modélisation ont démontré que la dynamique des fluides au sein de l'espace extra-capillaire et les propriétés de transport et les taux de consommation dans le hHFMB étaient suffisantes pour soutenir des CSM nécessaires pour la production du tissu osseux en échelle clinique in vitro et permettre de résoudre les difficultés de nutrition en raison de la forte densité de la cellule de la taille de l'échafaudage. Dans l'étape 4, le nouveau modèle TWO-POROUS-MEDIA, afin de déterminer la croissance cellulaire qui dépend des éléments nutritifs, a été utilisé pour analyser la croissance des CSM pour la formation de tissu osseux dans le HFMB. Dans ce modèle, l'échafaudage en fibres creuses dans le bioréacteur a été traité comme un domaine poreux. Le domaine se compose de la région lumen poreuse où le fluide s'écoule et la région ECS poreuse, remplie de gel de collagène contenant des cellules, afin de permettre la croissance de masse des tissus. En outre, les contributions de plusieurs paramètres de processus et de conception, qui améliorent les performances de bioréacteur, ont été étudiées. En plus, l'évaluation dynamique de la croissance cellulaire et les distributions de l'oxygène et du glucose ont été quantitativement analysées. Ces informations peuvent être utilisées afin d'améliorer la conception et les conditions opérationnelles du bioréacteur. Dans cette étude, l'idée d'utiliser le TEP pour la visualisation des perfusions des écoulements permanents et pulsatiles dans le HFMB proposée pour la première fois est tout à fait originale. En outre, tel qu'il a été démontré dans la revue de la littérature, la combinaison des éléments suivants n'a pas encore été utilisée dans un bioréacteur pour des applications d'ingénierie tissulaire: 1) le développement du HFMB permet l'ajustement de ses dimensions et est compatible avec l'imagerie par résonance magnétique (IRM) et le TEP, 2) le bioréacteur plat, 3) la combinaison du HFMB avec un système pneumatique utilisant des tubes effondrés pour produire des ondes de forme pulsatile et 4) la surveillance et le contrôle du système. De plus, le hHFMB proposé pour des applications en ingénierie du tissu osseux à l'échelle clinique et la modélisation du hHFMB démontre une fois de plus l'originalité de cette thèse. Enfin, toujours selon la revue de la littérature effectuée, le développement du modèle TWO-POROUSMEDIA pour analyser la croissance des CSM pour la formation de tissu osseux dans le HFMB a été proposé et réalisé pour la première fois.

Abstract : This present thesis comprise two major parts both experimental and numerical study which have been conducted in four distinct steps as following: (1) Design, construction, and evaluation of control and hydrodynamic of a bioreactor system. (2) Visualization of fluid flow perfusion in the hollow fibre membrane bioreactor (HFMB) using a biomedical noninvasive imaging technique, i.e. positron emission tomography (PET). (3) Development of a mathematical model for analyzing a hybrid hollow fibre membrane bioreactor (hHFMB) and (4) Development of a dynamic and two-porous media model for analyzing the HFMB with the aid of computational fluid dynamics (CFD), specifically for bone tissue engineering application. The experimental part includes the steps 1 and 2. In the step 1, the flow perfusion bioreactor system has been designed and constructed. The experimental evaluations of hydrodynamic, and control were performed. In this system, mean pressure, mean flow rate, frequency and waveform of the pulsatile pressure and flow rate can be modulated and controlled over the time to simulate both physiological and non-physiological conditions. The temperature, dissolved oxygen, and pH can be controlled.This bioreactor system can be applied to a variety of scaffold configurations, geometries, and sizes as the cell/tissue culture chamber is adjustable in length.This system is autoclavable, and compatible with noninvasive medical imaging techniques. Designing of the inlet and outlet manifold of the bioreactor were performed according to data obtained from CFD simulation of the flow distribution to achieve high efficiencies in the uniformity of flow perfusion. In the second step, PET was proposed for the very first time and a small animal PET system was used to obtain new information about steady and pulsatile flow patterns in the HFMB for tissue engineering applications. The non-homogeneous tracer distribution, as found with PET imaging, implies the occurrence of non-efficient regions with respect to mass transfer. In steady inlet flow condition, a non-uniform distribution of radioactive tracer was obtained. In contrast, the pulsatile inlet flow generated more uniform perfusion than that of steady flow. Further, it was found that in the case of pulsatile flow, the accumulation of the tracer within the bioreactor was efficiently less than that of steady inlet flow at the same condition. Therefore, in one hand these findings have the potential to improve bioreactor design and in the other hand can explore a very important rout to employ PET in developing bioreactors for tissue engineering applications. The numerical part includes the step 3 and 4 in which the numerical study has been performed for 3-D bone tissue growth in HFMB as a case study for large-scale tissue culture. In the step 3, the feasibility of utilizing newly proposed hHFMB for the growth of mesenchymal stem cells (MSCs) to form bone tissue was investigated using numerical simulations. To this aim, a mathematical model using a CFD code was developed to optimize the design and operation parameters of hHFMB for the growth of MSCs. The volume averaging method was used to formulate mass balance for the nutrients and the cells in the porous extracapillary space (ECS) of the hHFMB. The cell-scaffold construct in the ECS of the hollow fibres and membrane wall were treated as porous medium. Cell volume fraction dependent porosity, permeability, and diffusivity of mass were used in the model. The simulations allowed the simultaneous prediction of nutrient distribution and nutrient-dependent cell volume fraction. In addition, this model was used to study the effects of the operating and design parameters on the nutrient distribution and cell growth within the bioreactor. The modeling results demonstrated that the fluid dynamics within the ECS and transport properties and uptake rates in hHFMB were sufficient to support MSCs required for clinical-scale bone tissue growth in vitro and enabled to solve nutrition difficulties because of high cell density and scaffold size. In the step 4, the new dynamic and two-porous media model has been used for analyzing the nutrient-dependent MSCs growth in order to form the bone tissue in the HFMB. In the present model, hollow fibre scaffold within the bioreactor was treated as a porous domain. The domain consists of the porous lumen region available for fluid flow and the porous ECS region, filled with collagen gel containing cells, for growing tissue mass. Furthermore, the contributions of several design and process parameters, which enhance the performance of the bioreactor, were studied. In addition, the dynamic evaluation of cell growth, oxygen and glucose distributions were quantitatively analyzed. The obtained information can be used for better designing of the bioreactor, determining of suitable operational conditions and scale up of the bioreactor for engineering of clinical-scale bone tissue.--Résumé abrégé par UMI.