Multiscale Study of a Perfusion Bioreactor for Bone Tissue Engineering Morgan Chabanon
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Multiscale study of a perfusion bioreactor for bone tissue engineering Morgan Chabanon To cite this version: Morgan Chabanon. Multiscale study of a perfusion bioreactor for bone tissue engineering. Biomechan- ics [physics.med-ph]. Ecole Centrale Paris, 2015. English. NNT : 2015ECAP0003. tel-01139717v2 HAL Id: tel-01139717 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01139717v2 Submitted on 14 Apr 2015 HAL is a multi-disciplinary open access L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est archive for the deposit and dissemination of sci- destinée au dépôt et à la diffusion de documents entific research documents, whether they are pub- scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, lished or not. The documents may come from émanant des établissements d’enseignement et de teaching and research institutions in France or recherche français ou étrangers, des laboratoires abroad, or from public or private research centers. publics ou privés. ÉCOLE CENTRALE DES ARTS ET MANUFACTURES «ÉCOLE CENTRALE PARIS» THÈSE présentée par Morgan CHABANON pour l’obtention du GRADE DE DOCTEUR Spécialité : Bioingénierie, Biophysique Laboratoires d’accueil : MSSMat (UMR CNRS 8579), EM2C (UPR CNRS 288) Multiscale Study of a Perfusion Bioreactor for Bone Tissue Engineering soutenue le : 12 janvier 2015 devant un jury composé de : Mme. Cécile LEGALLAIS (DR) UMR CNRS 7338, BMBI Rapporteure Mr. Michel QUINTARD (DR) UMR CNRS 5502, IMFT Rapporteur Mr. Bruno LE PIOUFLE (Prof. ENS Cachan) UMR CNRS 8029, SATIE Examinateur Mr. Didier LASSEUX (CR, HDR) UMR CNRS 5295, I2M Examinateur Mr. Benoît GOYEAU (Prof. ECP) UPR CNRS 288, EM2C Directeur de Thèse Mr. Bertrand DAVID (CR) UMR CNRS 8579, MSSMat Co-encadrant 2015ECAP0003 REMERCIEMENTS Je souhaite remercier particulièrement Benoît Goyeau pour ses conseils, son encadrement et son soutien. J’ai eu énormément plaisir à débattre et échanger aux sujets de prise de moyenne, de dispersion, d’interfaces fluide/poreux, d’Harley-Davidson, de Gong, de politique et bien d’autres. Je remercie Bertrand David, grâce à qui ce sujet de thèse a vu le jour, et qui m’a fait confiance pour le mener à bien (et parfois à mal). Mes remerciements s’adressent également à Hachmi Ben Dia, directeur du MSSMat, et Olivier Gicquel, directeur du EM2C, dont les soutiens ont permis l’aboutissement de cette thèse dans de bonnes conditions. Je remercie Michel Quintard et Cécile Legallais d’avoir accepté d’être les rapporteurs de cette thèse, ainsi que Bruno Le Pioufle et Didier Lasseux qui ont bien voulu endosser les rôles d’examinateurs. J’adresse mes chaleureux remerciements à Bruno Le Pioufle, Olivier Français et tous les membres du SATIE-BIOMIS, qui m’ont si souvent accueilli au sein de leur équipe, toujours dans la bonne humeur. Je souhaite remercier également Eric Perrin pour son support et son humour, ainsi que Hervé Duval pour ses conseils et son soutien. Muchas gracias à Francesco Valdes-Parada, qui a affronté tremblements de terre et chaleurs torrides pour m’aider à finaliser quelques calculs de permeabilité en milieu fibreux. Merci aussi à Benjamin dont la participation à l’exploitation des données expérimentales a été précieuse. Je tiens à exprimer ma profonde gratitude à tous les membres du MSSMat, qui ont participé de près ou de loin au bon déroulement de ma thèse. Merci donc à Natalie, Nadège, Nicolas, Thomas, Sokona, Gilbert, Farida, Francis... Et je ne voudrais pas oublier les filles de l’ED, Catherine et Emmanuelle, qui m’ont sponsorisé en stylos pointeurs et mug. Et bien sûr, un grand merci à mes collègues thésards, postdoc ou au autres, avec qui l’amitié s’est développée en delà des murs du laboratoire, Ahlem (par qui je dois commencer sous peines de représailles), Diana, Samuel, Julien, Mathieu, Sofi (Wang), Silvana, Fernando, Gilles, Aurélie, Wenlong ... Enfin, je remercie mes amis et ma famille qui m’ont supporté aussi bien pendant les hauts que pendant les bas de cette passionnante aventure. ABSTRACT ISSUE ENGINEERING represents a promising approach for the production of bone sub- T stitutes. The use of perfusion bioreactors for the culture of bone-forming cells on a three-dimensional porous scaffold material, resolves mass transport limitations and provides physical stimuli, increasing the overall proliferation and differentiation of cells. Despite the recent and important development of bioreactors for tissue engineering, the underlying mech- anisms leading to the production of bone substitutes remain poorly understood. The aim of this thesis is to gain insight on the influence of transport phenomena, on cell and tissue growth within a perfusion bioreactor. To this purpose, a combined modeling and experimental approach is followed. To start with, a rigorous theoretical framework is developed in order to study the trans- port properties of the bioreactor. Given the hierarchical nature of the system, the multiscale aspect of the problem must be taken into account. Based on the volume averaging theory with closure, mass and momentum transport processes are upscaled from the extracellular matrix scale, to the bioreactor scale. The effective properties of the encountered structures are evaluated, and the influence of the interscale dependencies are emphasized. The resulting macroscopic model includes non-conventional terms, which contributions are evaluated in the case of the bioreactor culture conditions. Then, cell proliferation and tissue growth are studied both, from an experimental and mod- eling point of view. First, fibroblast cells are cultured on glass beads in a bioreactor, perfused with culture medium at 10mL/min, for up to three weeks. A protocol combining histolog- ical techniques and image analysis allows the quantification of cell and tissue growth as a function of space and time. Second, a theoretical tissue production kinetic is introduced in the multiscale transport model previously developed. Finally, the resolution at the bioreac- tor scale allows to discuss the theoretical and experimental results in regard to the transport phenomena taking place in the perfusion bioreactor. Key words : Tissue engineering, Perfusion bioreactor, Transports in porous media, Volume averaging, Cell and tissue growth RÉSUMÉ ’INGÉNIERIE TISSULAIRE représente une solution prometteuse pour la production de L substituts osseux. L’utilisation de bioréacteurs à perfusion pour cultiver des cellules ostéo-compétentes sur des matrices poreuses, permet de résoudre les limitations dues au transfert de masse, et d’apporter des stimuli physiques améliorant la prolifération et la dif- férenciation cellulaire. Malgré les récents et importants développements des bioréacteurs en ingénierie tissulaire, les mécanismes menant à la production de substituts osseux en bioréac- teurs restent mal compris. Le but de cette thèse est d’améliorer la compréhension de l’influence des phénomènes de transport, sur la croissance cellulaire et tissulaire dans un bioréacteur à perfusion. Dans cet objectif, une approche combinant modélisation et expérimentation est proposée. Dans un premier temps, un cadre théorique rigoureux est développé afin d’étudier les pro- priétés de transport du bioréacteur. Etant donné la nature hiérarchique du système, l’aspect multi-échelle du problème doit être pris en compte. En se basant sur la méthode de prise de moyenne volumique avec fermeture, les processus de transport d’espèces et de quantité de mouvement sont homogénéisés à partir de l’échelle de la matrice extracellulaire, jusqu’à l’échelle du bioréacteur. Les propriétés effectives des différentes structures rencontrées sont évaluées, et l’influence des dépendances inter-échelles sont mises en valeur. Le modèle macroscopique obtenu inclut des termes non-conventionnels, dont les contributions sont éval- uées pour les conditions de fonctionnement du bioréacteur. Dans un second temps, la prolifération cellulaire et la production de tissu sont étudiées d’un point de vue expérimental et théorique. Premièrement, des cellules de type fibroblaste, sont cultivées jusqu’à trois semaines sur des billes de verre, dans un bioréacteur perfusé à 10mL/min. Un protocole combinant des techniques d’histologie et d’analyse d’image, permet de quantifier la croissance de cellules et de tissu en fonction du temps et de l’espace. Deux- ièmement, une cinétique de production de tissu est introduite dans le modèle de transport multiéchelle développé plus tôt. Finalement, la résolution à l’échelle du bioréacteur permet de discuter les résultats expérimentaux et théoriques au regard des phénomènes de transport ayant lieu dans le bioréacteur à perfusion. Mots clés : Ingénierie tissulaire, Bioréacteur à Perfusion, Transport en milieux poreux, Prise de moyenne volumique, Croissance cellulaire et tissulaire CONTENTS Introduction 1 ITHE PERFUSION BIOREACTOR : FROM TISSUE ENGINEERING TO MULTISCALE MODELS 5 1 Bone Tissue Engineering 7 1.1 Introduction to bone biology . 7 1.2 Bone tissue repair . 10 1.2.1 Natural healing and remodeling . 10 1.2.2 Current clinical treatments . 11 1.3 Tissue engineering . 12 1.3.1 Scaffold design . 13 1.3.2 Cell choice . 15 1.3.3 In vitro culture conditions . 16 2 Bioreactors for Bone Tissue Engineering 19 2.1 Bioreactors using hydrodynamic stimuli . 20 2.1.1 Spinner flask bioreactors . 21 2.1.2 Rotating wall bioreactors . 22 2.1.3 Perfusion bioreactors . 23 2.2 Bioreactors based on other principles . 24 2.3 The double porosity bioreactor [David et al., 2011] . 26 2.4 Requirements for a translational bioreactor . 29 3 Modeling Perfusion Bioreactors 33 3.1 Modeling transport phenomena . 33 3.1.1 Modeling momentum transport . 34 3.1.2 Modeling mass transport . 39 3.2 Modeling cell proliferation . 40 3.2.1 Individual based models . 41 3.2.2 Continuum models . 43 4 Discussion and Challenges 47 Contents II MODELING MOMENTUM AND MASS TRANSPORT IN A PER- FUSION BIOREACTOR 51 5 Introduction on the Modeling Approach 53 6 The Extracellular Matrix Scale 57 6.1 Derivation of the ECM transport properties . 59 6.2 Computation of the ECM transport properties . 62 6.2.1 ECM permeability . 62 6.2.2 ECM diffusion-dispersion tensor . 66 7 The Cellular Scale 69 7.1 Local description of the cellular scale .