Soutenance de thèse de Olivier LAFFORGUE

Aujourd’hui, les pathologies respiratoires chroniques constituent un fardeau sanitaire mondial. Beaucoup sont associées à une modification rhéologique du mucus. Le rôle de clairance du mucus tapissant les voies respiratoires est de capturer des particules étrangères afin qu’enzymes et anticorps le nettoient, puis d’être transporté vers le pharynx pour être digéré ou expectoré. Dans des conditions pathologiques (e.g. mucoviscidose), les propriétés physiques assurant cette fonction vitale sont entravées par des modifications de la composition du mucus. L’objectif ici est de caractériser en profondeur les propriétés mécaniques du mucus vis-à-vis du développement d’appareils d’aide à la clairance. Ceci est réalisé par des moyens expérimentaux et de la modélisation depuis la base de données qui en découle. Le mucus réel implique de sérieuses problématiques de collecte, c’est pourquoi le choix a été fait de préparer des simulants à partir de glycoprotéines à différentes concentrations reproduisant la variété naturelle du mucus. Cela a permis de tester chacune des variétés vastement, palliant ainsi les problèmes de cohérence intrinsèque. La microscopie optique et la MEB ont donné un aperçu visuel du réseau 3D des simulants et confirmé sa similarité avec des mucus réels. La tension de surface, liée à la mouillabilité et l’adhésivité du mucus sur la surface épithéliale a été mesurée. Cela a montré une bonne concordance avec des mucus pathologiques, en particulier les concentrations élevées, en cohérence avec les observations cliniques. Le mucus est sujet aux changements de température in-vivo et peut varier de 20°C près de la bouche à 40°C en cas de fièvre. Ainsi les diffusivité, conductivité et capacités thermiques ont été mesurées dans cet intervalle. Les résultats sont proches de ceux de l’eau. Des tests SAOS ont permis la caractérisation rhéologique de la structure au repos. Les effets de la contrainte, fréquence et température sur la viscoélasticité ont été mesurés ainsi que les phénomènes viscoplastiques quantifiés en termes de seuils de contrainte et d’écoulement et d’énergie de cohésion en fonction de la concentration. Les tests en écoulement permanent montrent des comportements viscoplastiques et rhéofluidifiants bien ajustés par un modèle d’Herschel-Bulkley. Ses paramètres quantifient la viscoplasticité et la rhéofluidifiance en fonction de la concentration. En complément, des essais transitoires ont été conçus pour étudier la thixotropie du mucus. Celle-ci est liée à des évolutions lentes des propriétés rhéologiques dues à la restructuration au repos ou la déstructuration initiée par une déformation. Dans le cadre de la kinésithérapie respiratoire – visant à déstructurer l’épais mucus afin que le patient puisse l’expectorer – une telle dépendance du temps est une propriété cruciale. Elle fut d’abord observée qualitativement en écoulement continu comme une boucle d’hystérésis. La thixotropie a ensuite été mesurée indépendamment des comportements indépendants du temps et quantifiée par des échelons de cisaillement. Cela a fourni des temps de reprise ainsi que des courbes d’écoulement permanent isostructurelles (rhéogramme d’un niveau de structure donné). Ces dernières permettent de relier les paramètres HB au degré de structure. Enfin, la modification du modèle d’HB pour qu’il tienne compte de la cinétique de la structure a permis d’ajuster les échelons positifs à partir d’une référence proche des conditions de respiration vers des conditions proches de la toux (1 à 100 s-1). En conclusion, des tests complémentaires et intrinsèquement cohérents ont fourni une caractérisation thermo-physique et rhéologique complète d’une variété de simulants de mucus dans des conditions de repos, d’écoulement permanent et transitoires. Il en résulte un nouveau modèle prenant en compte la thixotropie. Ces résultats quantitatifs fournissent une base de données utile pour de futures simulations numériques dédiées au transport du mucus bronchique.

Today, chronic respiratory pathologies constitute a worldwide health burden. Most of them are associated to a modification of the mucus rheology. The clearance role of mucus is first to trap foreign particles, so that enzymes and antibodies can start the cleaning and then transport them towards the pharynx, to be digested or expectorated. Under disease conditions (e.g. Cystic Fibrosis), the physical properties ensuring this vital function are hindered by modifications of the mucus composition. The purpose of this thesis is then to characterize thoroughly the physical (essentially rheological) properties of mucus to improve the development of clearance helping devices using both experiments and modeling based on the subsequent database. Since the use of real mucus implies strong issues related to sample collection, the choice was made to use mucus simulants using glycoproteins at various concentrations to mimic the real mucus variety. It allowed extensively testing each unique sample and covering a wide range of intrinsic consistencies. Optical microscopy and SEM were use to give a complementary insight into the 3D network of samples and confirmed the similarity with former observations made on real mucus. The surface tension (closely related to the wettability and adhesiveness of the bronchial mucus on the epithelium surface) was also measured for each concentration. It showed a good agreement with pathological mucus, especially for the high polymer concentrations. Mucus is prone to temperature variations in-vivo, (20°C close to the mouth to 40°C under fever conditions). Hence thermal diffusivity, conductivity, and heat capacity were measured in this temperature range. The results gave values close to pure water properties. A complete rheological characterization of mucus simulants at different concentrations was then performed. The effects of stress, frequency and temperature on the viscoelastic properties were recorded using SAOS tests. The viscoplasticity (yield and flow stresses), the energy of cohesion of the 3D network were quantified as a function of the active polymer concentration. The simulants were tested under steady-state flow conditions, displaying viscoplastic and shear-thinning properties well fitted by a Herschel-Bulkley (HB) flow model. The HB parameters were used to quantify viscoplasticity and shear-thinning behaviors versus the polymer concentration. In addition, transitory tests were performed to investigate the thixotropic properties of mucus. Thixotropy is linked to slow time evolutions of the rheological properties due to restructuring at rest or destructuring initiated by deformation. Within the scope of device-assisted respiratory physiotherapy - aiming at destructuring the mucus layer to facilitate its expectoration - such a time-dependent response is important to account for. Thixotropy was first qualitatively observed as a hysteresis loop under continuous flow. It was then measured and quantified independently of other rheological properties using stepwise changes of shear rates. These tests provided recovery times and isostructural steady-state flow curves (rheograms for given single levels of structure) that can relate the HB parameters to the reference shear rate of the isostructure. Finally, the HB model was modified to account for the thixotropic structural kinetic in order to fit transitory shear steps up from a reference shear rate close to respiration conditions to a shear rate close to cough conditions (10 to 100 s-1). In conclusion, complementary and intrinsically consistent tests were used to provide a thermo-physical and a complete rheological characterization of mucus simulants at various concentrations of mucins mimicking polymers. A modified HB model was proposed to account for thixotropic structural kinetics. These quantitative results provide a useful database for future advanced in numerical modelings dedicated to the transport of bronchial mucus.