Soutenance de thèse de Meysam MAJNOONI

Depuis les années 1950, de nombreuses études ont rapporté que les ondes ultrasonores (US) pouvaient accélérer la guérison des os. Néanmoins, certains essais cliniques ont montré des résultats controversés, et malgré une littérature abondante sur le sujet, les mécanismes physiques sous-jacents restent peu clairs. Afin de lever ce paradoxe, cette thèse propose d’étudier les processus acoustiques et mécaniques impliqués dans la stimulation des cellules osseuses (ostéocytes) par ultrasons par le biais de modèles in-vitro et in-silico. Les différents travaux expérimentaux sur la stimulation US in-vitro, publiés dans la littérature utilisent une grande variété de configurations et de protocoles, ce qui rend difficile leur comparaison et l'interprétation des différents résultats. De plus, les configurations de stimulation US in-vitro les plus courantes souffrent de perturbations du champ acoustique, générées par des réflexions multiples aux interfaces et la formation d'ondes stationnaires dans le milieu de culture cellulaire, ce qui empêche une estimation juste de l’intensité acoustique délivrée aux cellules. Bien que certaines techniques aient été proposées dans la littérature pour prévenir ces phénomènes, leur efficacité a rarement été quantifiée. Ainsi, le premier objectif de cette thèse est de fournir une configuration in-vitro pour la stimulation US contrôlée afin d'assurer une interprétation pertinente de la réponse biologique des cellules osseuses. Afin de mesurer et de contrôler l'intensité acoustique exacte délivrée aux cellules, un dispositif d'absorption des ondes a été développé. Ce dispositif compact, biocompatible et innovant, peut être monté sur une boîte de Pétri et être utilisé dans un incubateur. Les résultats obtenus montrent que ce dispositif a une performance de 92% par rapport à la situation idéale. Il réduit donc considérablement la réflexion des ondes et la formation d'ondes stationnaires, permettant une mesure précise de l'intensité acoustique. Un modèle numérique, équivalent à ce nouveau dispositif in-vitro, est développé dans le but d'étudier les effets des paramètres acoustiques sur le niveau et la distribution de l'intensité acoustique dans la boîte de Pétri. Après validation, ce modèle numérique permet d’estimer l'intensité acoustique dans des zones inaccessibles expérimentalement, par exemple à l'emplacement des cellules (à quelques microns du fond d'une boîte de Pétri donnée). En outre, la comparaison des résultats entre les études paramétriques sur la fréquence, le rapport cyclique et la distance entre le point de mesure et le transducteur démontre que le paramètre le plus influent pour générer une intensité plus élevée est le rapport cyclique des ondes. Après avoir obtenu le contrôle de l'intensité acoustique in-vitro, il convient de s'intéresser à l'interaction mécanique entre les US et les ostéocytes. En supposant que la contrainte de cisaillement du fluide entourant ces cellules peut jouer un rôle majeur dans leur stimulation, un modèle in-silico, intégrant un micro-environnement 3D représentatif du réseau lacunaire-canaliculaire (RLC) qui les héberge in vivo, est développé pour analyser cette interaction. Le modèle in-silico représente la cellule dans un RLC idéalisé, couplant les domaines fluide et acoustique. Le streaming acoustique généré dans le RLC idéalisé est représenté comme une perturbation du second ordre. Les résultats confirment que les ondes ultrasonores, via le streaming acoustique, peuvent générer un niveau de contrainte de cisaillement à la paroi des ostéocytes dans la gamme des valeurs connues pour induire une réponse biologique lorsqu'elles sont soumises à une charge physiologique. Les résultats de cette thèse offrent de nouvelles perspectives sur les interactions entre les cellules osseuses et les ondes ultrasonores, ce qui permet de comprendre la stimulation par ultrasons de la régénération osseuse et, en fin de compte, d'améliorer les soins aux patients.

Since the 1950s, numerous studies have reported that ultrasound waves can accelerate bone healing. Nonetheless, some clinical trials showed controversial results, and despite abundant literature on the subject, the underlying physical mechanisms remain unclear. To untie this paradox, this thesis aims to investigate the acoustic and mechanical processes involved in bone cells (osteocytes) stimulation by ultrasound waves through dedicated in-vitro and in-silico studies. The various experimental work on in-vitro ultrasound stimulation published in the literature use a wide variety of configurations and protocols, which makes it difficult to compare and interpret the different results. Moreover, the most common in-vitro ultrasound stimulation setups suffer from perturbations of the acoustic field generated in the Petri dish due to multiple reflections at interfaces and formation of standing waves inside the cell culture medium, hindering an accurate estimation of the acoustic intensity delivered to cells. Although some techniques were proposed in the literature to prevent such phenomena, the efficiency was rarely quantified. Thus, the first objective of this thesis is providing an in-vitro setup for controlled ultrasound stimulation to ensure a meaningful interpretation of the biological response of the bone cells. To measure and monitor the exact acoustic intensity delivered to the cells, an ultrasound-absorbing device is developed. This innovative, biocompatible compact device can be mounted on a Petri dish and used inside an incubator. Obtained results show that the absorbing device has a 92% performance compared to the ideal situation (no reflection at interfaces). This clearly indicates that the developed absorbing device drastically reduces wave reflections and formation of standing waves inside the culture medium, which is necessary for accurate measurement of acoustic intensity. A numerical model, equivalent to this new in-vitro setup, is developed with the aim of investigating the effects of acoustical parameters on acoustic intensity level and distribution in the Petri dish. After validation, this numerical model helps to measure the intensity even in experimentally inaccessible areas, e.g. at the cell location (a few microns from the bottom of a Petri dish). In addition, comparing results among parametric studies on frequency, duty cycle, and distance between the measurement point and transducer demonstrates that the most influential parameter is the duty cycle of the waves. After achieving a comprehensive control over the in-vitro intensity, attention shall be paid to mechanical interaction between ultrasound waves and the osteocyte. Assuming that the fluid shear stress can play a major role on cell stimulation, an in-silico model, integrating the 3D micro-environment representative of the lacunar-canalicular network which hosts the osteocytes, is developed to analyze the effects of ultrasound waves on an osteocyte cell. The in-silico model represents the cell in an idealized lacunar-canalicular network, coupling fluid and acoustic domains. Acoustic streaming induced by harmonic ultrasound stimulation is represented as a second-order perturbation. The results confirm that the ultrasound waves can generate a level of fluid shear stress in the range of values known to induce biological response when they are subject to physiological loading. The outcomes of this thesis offer new insights into the mechanical interactions between the bone cells and ultrasound waves, allowing for understanding the ultrasound stimulation of bone regeneration, and ultimately achieving better patient care.