Approche Biomimétique de la Mécanique des Tissus – BOAT

Les tissus embryonnaires sont des assemblées de cellules dont la cohésion résulte de l’adhésion intercellulaire. Lors de la morphogénèse ces tissus sont soumis à des mouvements de grande amplitude, tels que des élongations et repliements successifs, qui modèlent la forme des embryons. Nous proposons d’utiliser une approche biomimétique qui nous permettra d’étudier les propriétés mécaniques de ces tissus dans un cadre simplifié.

En particulier nous étudierons le comportement d’émulsions biomimétiques en réponse à des perturbations mécaniques locales ou globales. Ces émulsions de gouttes d’huile dans l’eau sont conçues pour reproduire les principales propriétés mécaniques et adhésives des cellules dans les tissus : les gouttes d’huile sont stabilisées par une monocouche fluide de phospholipides qui reproduit la fluidité de la membrane cellulaire ; cette monocouche est fonctionnalisable avec des ligands spécifiques permettant de former des patches adhésifs entre les gouttes et de mimer l’adhésion cellulaire. Ces émulsions sont également rendues transparentes par égalisation d’indice entre la phase eau et la phase huile, ce qui permet de les imager en trois dimensions et d’obtenir plusieurs informations : la microstructure des empilements, c’est-à-dire leur topologie ; la taille des adhésions entre les gouttes ; et la déformation locale des gouttes qui permet de mesurer la force exercée localement entre chaque goutte de l’empilement.

Nous analyserons la réponse élasto-plastique de ces émulsions suite à l’application de perturbations mécaniques exercées localement ou par compression externe. Afin d’appliquer des contraintes locales nous insérerons des particules déformables au sein d’un empilement tridimensionnel de gouttes adhésives. Nous observerons la réponse de l’émulsion pour différents amplitudes et géométries de perturbations. En fonction de l’énergie d’adhésion entre les gouttes et de leur tension de surface nous devrions observer deux types de comportement : soit une réponse plastique associée à des changements de topologie irréversibles dans l’empilement de gouttes ; soit une réponse élastique par laquelle les gouttes se déforment sans modifier leur environnement. De plus nous mesurerons la propagation des forces dans ces émulsions adhésives en fonction de la perturbation appliquée.

Nous appliquerons ensuite une compression externe sur ces émulsions adhésives en les injectant dans des constrictions microfluidiques. Ceci nous permettra de caractériser la réponse du système sous contrainte mécanique globale. Là aussi la réponse élasto-plastique du système dépendra des paramètres de l’émulsion, i.e. de l’énergie d’adhésion et de la déformabilité des gouttes, mais aussi de la géométrie de la constriction et de la vitesse à laquelle le flux sera appliqué. En effet, dans le cas de réarrangements plastiques, les gouttes préalablement liées par des patches adhésifs devront d’abord rompre ces adhésions pour ensuite en former de novo avec les nouvelles gouttes voisines. Le comportement de l’émulsion en flux révèlera donc la dynamique sous-jacente de formation/rupture des patches adhésifs entre gouttes biomimétiques.

Ces résultats nous permettront d’établir le diagramme de phase de la réponse élasto-plastique des tissus biomimétiques en fonction de leurs propriétés adhésives et mécaniques, et des perturbations appliquées. Nous testerons et ajusterons ce diagramme en le comparant au comportement mécanique des agrégats cellulaires. Ce projet, à l’interface entre la physique et la biologie, nous permettra de comprendre les principes mécaniques à l’origine de la réorganisation des tissus lors du développement.