Étude expérimentale et modélisation de la cinétique d'adhésion de particules colloïdales d'intérêt biologique aux interfaces solide/liquide

Experimental study and modelling of the adhesion kinetics of colloïdal particles of biological interest at solidlliquid interfaces

• Auteur / Autrice : Philippe Carl
• Direction : Bernard Senger
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences biologiques fondamentales et appliquées
• Date : Soutenance en 1999
• Etablissement(s) : Vandoeuvre-les-Nancy, INPL

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse par sédimentation

Traitement d'images

Adsorption

Colloïdes

Cinétique chimique

Mots clés libres

Particule colloïdale

Neutrophile

Granulocyte

Adhérence

Inferface liquide solide

Modélisation

Résumé

Ce mémoire porte sur l'étude de la cinétique d'adhésion de particules colloïdales de synthèse et de cellules biologiques à une surface solide après sédimentation dans un liquide. Les expériences ont été réalisées à l'aide d'une cellule de diffusion placée sous un microscope optique connecté à une caméra permettant des prises de vue à fréquence constante de la surface en cours de recouvrement. Un algorithme d'analyse des images, capable de décompter sans ambiguïté les particules adhérant à la surface, a été mis au point en vue de déterminer précisément la cinétique du processus d'adhésion irréversible des particules sur la surface adsorbante. Quatre types de particules de synthèse, qui se distinguent entre elles, soit par leurs diamètres, soit par leurs densités, ont été utilisés. L'effet relatif de la sédimentation sous l'effet de la pesanteur par rapport à la diffusion brownienne est quantifié par le paramètre sans dimension R*. Les cinétiques mesurées ont été comparées aux prévisions de différents modèles. Cette confrontation révèle la validité du modèle de dépôt balistique (hypothèse d'une gravité d'intensité infinie) pour des particules caractérisées par une valeur élevée de R*. A mesure que la valeur de R* diminue, la cinétique expérimentale s'écarte de celle prévue par ce modèle. Une approche originale, qui tient compte de la diffusion des particules dans un champ gravitationnel d'intensité finie et de la formation d'une multicouche, permet de mieux expliquer l'allure des cinétiques expérimentales. La région asymptotique, donc. Le taux de recouvrement à saturation, sont également influencés par la répulsion électrostatique mutuelle des particules. La méthodologie développée pour les particules de synthèse a été appliquée à l'étude du dépôt de polynucléaires neutrophiles (PNN). Il ressort des observations que leur cinétique d'adhésion est pratiquement identique à celle de particules de synthèse caractérisées par la même valeur de R*.

This dissertation deals with the adhesion kinetics of synthetic colloidal particles and biological cells at a solid surface after sedimentation in a liquid. The experiments were carried out by means of a sedimentation cell observed with an optical microscope connected to a camera allowing to take images of the adsorbing surface at a constant frequency. An image analysis algorithm, capable of counting without ambiguity the particles adhering to the surface, was elaborated to determine precisely the kinetics of the irreversible adhesion of the particles on the adsorbing surface. Four types of synthetic particles, differing either by their diameters or by their densities, were used. The relative effect of the sedimentation under the influence of the gravity with respect to the Brownian diffusion is quantified by the dimensionless parameter R*. The measured kinetics were compared to the predictions of various models) this confrontation reveals the validity of the ballistic deposition model (where an infinitely intense gravity is assumed) for particles characterised by a high value of R*. As the value of R* decreases, the adhesion kinetics deviates from that predicted by this model. An original approach, which accounts;for the diffusion in a gravitational field of finite intensity and the formation of a multilayer, leads to a better reproduction of the experimental kinetics. The asymptotic domain, hence the jamming limit\coverage, are also influenced by the mutual electrostatic repulsion of the particles. The methodology developed for the synthetic particles has been applied to the study of the deposition of polymorphonuclear leukocytes (PMN). It comes out from the observations that their irreversible adhesion kinetics is practically identical to that of synthetic particles characterised by the same value of R*.