Projet: Simulation Microfluidique
Dans le cadre de la simulation microfluidique, l’outil de modélisation par éléments finis COMSOL est utilisé pour décrire des systèmes complexes et comprendre leur dynamique. Il est appliqué à :
- une diode microfluidique pour la délivrance contrôlée des médicaments :
Des micro-pompes sont utilisées pour injecter automatiquement et en toute sécurité des médicaments au patient (insuline dans le cas du Diabète). Généralement, les micro-pompes présentent une valve qui s’avère se détériorer au cours du temps. Par conséquent, une nouvelle génération de micro-pompes utilise une chambre de pompage avec un diaphragme qui permet de pomper le liquide. Le point crucial est le contrôle du flux de médicament vers le patient tout en évitant le flux de liquide physiologique vers la micro-pompe.
Nous étudions alors une structure originale du canal microfluidique reliant l’entrée et la sortie de la micro‑pompe (figure 1). Le champ de vitesses du fluide est présenté sur la figure 1 : la différence des flux dans les directions opposées permet un fonctionnement proche de celui d’une diode en électronique avec des directions « passant » et « bloquant ». C’est pour cela que nous l’appelons diode microfluidique. Pour son intégration dans la micro‑pompe, l’absence de valves amovibles en permet une fabrication rapide et peu couteuse (par impression 3D par exemple).
Cette étude fait l’objet d’une collaboration avec le laboratoire Génie Biomédical de Tlemcen (Algérie).
- un dispositif microfluidique à gradient de concentration pour l’étude de la chimiotaxie : il a été démontré que les cellules immunitaires ont un mode de déplacement sans adhésion mais contrôlé par le gradient de chimiokines présentes dans la solution. Ce gradient peut être maitrisé via le contrôle des flux dans le dispositif. Pour ces études, il est donc nécessaire de concevoir un dispositif avec un gradient de chimiokine stable dans le temps et avec une maitrise complète des flux dans les différents compartiments du dispositif. La modélisation de la diffusion de chimiokine avec le temps a été réalisée dans l’ensemble du dispositif. Les résultats de simulation comparés avec les résultats expérimentaux ont permis de confirmer la domination des phénomènes de diffusion sur ceux de convection dans la création du gradient de chimiokine dans le dispositif (figure 2).
Cette étude fait l’objet d’une collaboration avec le Laboratoire Inflammation et Adhésion (LAI) (Marseille).
- l’étude des thromboses : la maladie thromboembolique veineuse représente la 3ème cause de mortalité cardiovasculaire dans les pays développés. On parle de thrombose veineuse lorsqu’un caillot sanguin se forme dans une veine. Elle touche le plus souvent les membres inférieurs et s’installe dans une veine profonde. On l’appelle alors Thrombose Veineuse Profonde (TVP). Ce caillot peut se détacher et venir obstruer une artériole pulmonaire formant une embolie pulmonaire. Les mécanismes de la TVP sont encore mal connus. La physiopathologie thromboembolique veineuse est complexe et multifactorielle. Dans ce projet nous nous intéressons aux liens entre des différents facteurs comme la rigidité de la valve veineuse et les risques génétiques sur la formation des thrombus. Nous avons commencé notre étude par la simulation de dépôt des neutrophiles dans un dispositif microfluidique représentant la veine profonde (Blood 137:2256-2266 (2021)).
Cette étude fait l’objet d’une collaboration avec le Centre de recherche en CardioVasculaire et Nutrition (C2VN)
- la compréhension de la contraction d’une goutte contenant des molécules d’intérêt sur une surface ou dans un écoulement microfluidique : (lien vers les projets Microparticules Biomimétiques et Nucléation en Milieux Confinés).
La contraction des gouttes sessiles peut paraitre très simple à décrire mais en réalité plusieurs phénomènes physiques sont en compétition : par exemple l’évaporation, la diffusion, le changement de phases, la convection et l’effet Marangoni (figure 3). Le modèle se complique quand un ensemble de gouttes communicantes est étudié. La compréhension de la contraction des gouttes sessiles de petit volume (du picolitre au femtolitre) ouvrira des portes vers des applications très variées : pour la compréhension de la nucléation et de la cristallisation de molécules d'intérêts pharmaceutique (par exemple) ou dans le domaine des dispositifs médicaux (puces à ADN, diagnostique par l’analyse des formes de dépôt des gouttes des biofluides). La force de notre approche se trouve dans la convergence entre la modélisation et la plateforme expérimentale.
Non permanents impliqués dans les projets :
2017-2018 Ahmed Slami, Doctorant au laboratoire Génie Biomédical de Tlemcen (Algérie)
2019 Maxime Imbert, Stage M1 Bio-ingénierie des Tissus et des Implants–Aix-Marseille Université
2017 Duglas Dunga, Mobilité d’études en 4ème année Génie Biomédical - Polytech Marseille