Co-directeurs de thèse :
Julien Favier ( M2P2 )
Fabien Candelier ( IUSTI )
(CV et lettre de candidature à envoyer en copie aux deux adresses: julien.favier@univ-amu.fr et fabien.candelier@univ-amu.fr)
Description du sujet de recherche :
Le contexte de ce sujet de thèse est l’étude du transport du mucus bronchique dans les poumons humains, à l’aide d’une approche interdisciplinaire mettant en jeu la simulation numérique, la physique expérimentale, et la médecine (pneumologie). Le transport du mucus depuis les bronchioles vers le larynx est assuré par le battement d’une multitude de cils recouvrant l’épithélium bronchique et ce mécanisme est actuellement un élément clé de la recherche actuelle pour progresser dans la compréhension et le traitement des maladies respiratoires chroniques comme l’asthme sévère (Chanez, 2005, 2007) et les broncho-pneumopathies chroniques obstructives (BPCO).
En particulier, il est particulièrement important de disposer d’un modèle fiable du battement ciliaire, afin de réaliser des simulations dans des conditions les plus réalistes, qui permettront à terme de faciliter et d’appuyer le diagnostic de ces maladies encore mal connues. Au cœur du problème se trouve le déphasage de battement entre les cils qui génèrent par leur mouvement collectif des ondes, dites métachronales, qui ont la propriété de transporter le mucus. Ce travail de thèse se focalise sur le mécanisme de battement ciliaire, l’émergence de ces ondes et la caractérisation mécanique du transport.
Ce travail s’appuiera sur un environnement numérique basé sur la méthode Lattice Boltzmann couplée avec la méthode des frontières immergées dans un contexte multiphasique, développé dans des études précédentes (Chateau et al, 2016, 2017). L’un des objectifs sera de parvenir à décrire le mouvement réel du cil en adoptant un modèle capable de reproduire de manière naturelle ses battements. A cette fin, le cil, qui est un corps élancé, sera modélisé comme un empilement de sections rigides (elliptiques ou circulaires) assujetties à se déplacer suivant un mouvement de rotation, autour d’un axe médian. Cette approche, dite des poutres « Cosserat » (Cosserat et al, 1909) nous offrira la possibilité d’utiliser des algorithmes développés récemment (Boyer et al, 2016) aptes à résoudre de manière efficace et rapide la dynamique directe du cil, une fois déterminé le chargement auquel il est soumis.
Les calculs seront menés pour comparer avec les résultats expérimentaux et numériques existants, sur des configurations simples.
Cette thèse est à dominante numérique et théorique, tout en ayant un lien avec le milieu médical et biomédical. Des interactions avec des biologistes et pneumologues (INSERM-CINAM) sont à envisager lors de la thèse.
Références :
- Boyer, F., Porez, M., Morsli, F., & Morel, Y. Locomotion Dynamics for Bio-inspired Robots with Soft Appendages: Application to Flapping Flight and Passive Swimming. Journal of Nonlinear Science, 2016.
- Chanez, P. Severe asthma is an epithelial disease. European Respiratory Journal. 2005, Vol. 25, 945-946.
- Chateau, S., Favier, J., D’Ortona, U. & Poncet, S. A comparative study of metachronal waves in 3D cilia arrays immersed in a two-phase flow. Submitted to Journal of Fluid Mechanics, 2017.
- Cosserat, E., Cosserat, F., Brocato, M., & Chatzis, K. Théorie des corps déformables. (1909).
- Lafforgue, O., Poncet, S., Seyssiecq, I. & Favier J. Rheological Characterization of Macromolecular Colloidal Gels as Simulant of Bronchial Mucus. 32nd International Conference of the Polymer Processing Society (PPS-32), Lyon, France, July 25-29, 2016.
- Li, Z., Favier, J., D'Ortona, U., & Poncet, S., An immersed boundary-lattice Boltzmann method for single-and multi-component fluid flows. Journal of Computational Physics, 304, 424-440 (2016).
