Procédé d'encapsulation à base d'hydrogels pour le développement de micro-tissus cellulaires

Hydrogel based encapsulation process for cell tissue development

• Auteur / Autrice : Wafa Bouhlel
• Direction : Nicolas Brémond
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physico-chimie
• Date : Soutenance le 30/11/2018
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de colloïdes et matériaux divisés (Paris)
• Jury : Président / Présidente : Jean-François Joanny
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fernando Leal-Calderon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gladys Massiera, Fernando Leal-Calderon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cellules épithéliales

Atomisation

Encapsulation (chimie)

Hydrocolloïdes

Mots clés libres

Atomisation

Alginate

Collagène

Fluides complexes

Dispersion convective

Cellules épithéliales

Atomization

Alginate

Collagen

Complex fluids

Convective dispersion

Epithelial cells

Résumé

Cette thèse concerne l'amélioration d'un procédé d'encapsulation à base d'hydrogels pour la culture cellulaire tridimensionnelle. Des capsules submillimétriques sont formées via la co-extrusion à haute vitesse de solutions de macromolécules, formant ainsi un jet composé. Les gouttes résultant de la fragmentation du jet possèdent une géométrie de type cœur/coque dont l'enveloppe est composée d'alginate qui est ensuite solidifiée après immersion dans un bain de gélification. L'utilisation de matériaux biologiques a nécessité la mise en place d'un système d'injection séquentiel afin de manipuler de faibles volumes, inférieurs au mL. Cette approche est alors accompagnée d'une variation longitudinale de la concentration de particules en suspension lors de leur écoulement dans le tube d’injection. Cette dispersion peut être inhibée en ajoutant une bulle à chaque extrémité de l'échantillon afin de le compartimenter. Une déstabilisation de la suspension initialement homogène est observée lorsque l’inertie du fluide porteur rentre en jeu à l’échelle des particules. Ces particules micrométriques induisent un battement et des fluctuations de vitesse du jet entrainant la coalescence des gouttes et ainsi une polydispersité. Enfin, un hydrogel de collagène, mimant la matrice extracellulaire, a été implémenté au cœur des capsules afin de favoriser l'adhésion des cellules épithéliales de l’intestin et des canaux biliaires. Les cellules forment alors au sein de ces matrices un épithélium polarisé et fonctionnel. La formation de ces capsules a nécessité la formulation de la solution de collagène compatible avec le procédé et aux conditions physiologiques des cellules.

This thesis concerns the improvement of a hydrogel encapsulation process for three-dimensional cell culture. Submillimetric capsules are formed via high speed co-extrusion of macromolecules solutions, thereby forming a compound jet. The drops resulting from the fragmentation of the jet have a core/ shell type geometry where shell is composed of alginate. This layer is then solidified after immersion in a gelling bath. The use of biological materials required the implementation of a sequential injection system to manipulate small volumes, less than 1 mL. This approach is then accompanied by a longitudinal variation of the concentration of the suspended particles flowing in the injection tube. This dispersion can be inhibited by adding air bubbles at each end of the sample to segment it. A destabilization of the suspension initially homogeneous is observed when liquid inertia comes into play at the particle’s scale. These micrometric particles induce a flapping motion and jet speed fluctuations causing the coalescence of the drops and thus a size polydispersity. Finally, a collagen hydrogel, which mimics an extracellular matrix, has been implemented in the capsule’s core to promote adhesion of epithelial cells forming intestine and bile ducts. Within this matrix, the cells form a polarized and functional epithelium. The formation of these collagen capsules required the formulaiton of the collagen solution compatible with the process and the physiological conditions of the cells.