Conception d'un bioréacteur à perfusion pour la - Ecole Centrale Paris

Conception d’un bioréacteur à perfusion pour
la production de volumes cliniques de substituts osseux
(see english version on third page )
Mots clés : Ingénierie pour la santé, bioréacteur, écoulement, microfluidique,
microsystème, biomatériaux, milieux poreux, modélisation, biomécanique.
Contexte scientifique :
Chez l’homme, le comblement de larges défauts osseux est généralement assuré par de l’autogreffe dont le
stock est limité. La capacité de différencier des cellules souches associées à un matériau support
(biohybrides) en tissu osseux a conduit à évaluer l’intérêt de ces cellules comme substituts de l’autogreffe.
La quantité d’autogreffon est cependant limitée. La possibilité d’obtenir à partir d’une biopsie de moelle
osseuse un grand nombre de cellules souches mésenchymateuses et celle de les différencier en cellules
capables de former du tissu osseux a conduit naturellement à évaluer l’intérêt de ces cellules comme
substituts de l’autogreffe osseuse. L’intérêt de l’utilisation de matériaux biohybrides dans le comblement de
perte de substance osseuse a été démontré chez l’animal.
L’utilisation de matériaux biohybrides doit être simplifiée pour être utilisée en clinique car elle est coûteuse
en temps et en main d’oeuvre qualifiée. Pour résoudre ce problème, l’utilisation de bioréacteurs a été
avancée et validée chez l’animal. Dans ce contexte, un dispositif mécanique de type bioréacteur à perfusion
(basé sur la géométrie d’un lit fluidisé pour sa capacité à perfuser d'une manière très homogène un grand
nombre de particules) a été conçu (WO/2009/010661 -Reactor for the implementation of a bone tissue
culture method). Après 8 semaines d’implantation en sous cutanée chez l’animal, les résultats ont montré
que la quantité d’os néoformé à partir des biohybrides produit avec le bioréacteur est 5 fois supérieure à
celle obtenue à partir de biohybrides produits par les techniques classiques. Cependant, la capacité de
production de ce premier prototype (30 ml de biohybrides) ne permet pas de produire en une seule fois, le
volume de biohybrides nécessaire à la réparation de grande perte de substance osseuse (pouvant aller
jusqu’à 300ml chez l’homme selon les cliniciens).
Description du sujet de thèse :
L’objectif à moyen terme est de réaliser un bioréacteur permettant de produire un volume de biohybrides
suffisant pour les applications cliniques humaines. Le problème majeur lié à cette augmentation de volume
sera la compréhension puis la maîtrise de l'hétérogénéité spatiale de l'écoulement à travers les biohybrides.
L'optimisation des différents paramètres (vitesse de l’écoulement, forme et dispersion des granules de corail
constituant le matériau support...) sera basée sur une interaction forte entre la simulation et l'expérience.
Sur un plan mécanique, on se propose de simuler numériquement l'écoulement local du fluide au sein d’un
granule de corail puis au sein d'un empilement réel de granules obtenus par imagerie (tomographie aux
rayons X,…). Cette première approche permettra en particulier d’estimer les contraintes pariétales locales
exercées par le fluide. Parallèlement, un modèle macroscopique sera obtenu par une technique
d’homogénéisation (prise de moyennes volumiques). Il intègrera le problème de croissance des cellules à
l’échelle du réacteur. Les résultats numériques seront comparés aux mesures expérimentales.
Sur un plan biologique, on se propose de mettre en place un protocole expérimental permettant la
quantification et spatialisation de la prolifération cellulaire en 3D au sein de dispositifs microfluidiques type
microsystème, en fonction de la vitesse de perfusion. Une importance toute particulière sera portée à l’étude
de l’influence des propriétés du matériau support (rigidité, topographie de la surface du matériau) sur le
comportement cellulaire. Ces données expérimentales serviront à alimenter un modèle numérique de
prolifération cellulaire en 3D sur au sein de matrices microporeuses. Cette démarche devrait permettre de
décrire finement la croissance cellulaire au sein de matrices 3D microporeuses dans un bioréacteur a
perfusion et ainsi, proposer de nouvelles géométries de matrices synthétiques type céramique et de
bioréacteurs.

Cadre du projet au sein des laboratoires MSSMat et EM2C :
La thématique de recherche portée par cette thèse, à savoir l’influence de l’environnement mécanique sur la
croissance de cellules au sein de matériaux poreux tridimensionnels, s’inscrit dans les thématiques
proposées à la fois par le laboratoire MSSMat au travers de son axe Nano-Biomécanique et le laboratoire
EM2C au travers de son axe Transferts en milieu poreux.
Encadrement :
Bertrand David, Chercheur CNRS, MSSMat.
Elsa Vennat, Maitre de Conférences, MSSMat.
Benoît Goyeau, Professeur des Universités, EM2C.
Collaboration externe :
Cette recherche s’appuiera sur une collaboration amorcée avec des spécialistes en microfluidique (Bruno Le
Pioufle, Olivier Français, Laboratoire SATIE-BIOMIS – Biomicrosystèmes, UMR-CNRS 8029, Ecole Normale
Supérieure de Cachan).
Connaissances et compétences requises du futur doctorant :
Goût prononcé pour les échanges multidisciplinaires.
Compétences souhaitées en mécanique des fluides et simulation numérique et appréciées en biologie
cellulaire.
Localisation de la thèse :
Laboratoire MSSMat UMR-CNRS 8579, Laboratoire EM2C UPR-CNRS 288, Ecole Centrale Paris.
Contact :
Bertrand DAVID
Chargé de Recherche CNRS (CR1)
École Centrale Paris (École Centrale des Arts et Manufactures)
UMR CNRS 8579
Laboratoire de Mécanique des Sols, Structures et Matériaux
Grande voie des Vignes
92295 Châtenay-Malabry Cedex
Téléphone : 33 (0)1.41.13.16.54
Mail: bertrand.david@ecp.fr

A perfusion bioreactor to produce large volume of bone substitute
Key words: Bone tissue engineering, bioreactor, fluid flow, microdevices, biomaterials,
porous media, biomechanical modeling.
Context:
Autologous or allogenous bone grafting is widely used to repair injured, aged or diseased skeletal tissue.
These bone grafts are however limited by availability, infection or even rejection and disease transfer.
Bone tissue engineering provides a promising alternative solution. Surgeons have indeed overcome these
problems by using scaffolds of synthetic or natural biomaterials that promote the migration, proliferation, and
differentiation of bone cells. However, the success of these materials in repairing large bone defects is
limited. They lack the osteogenic and osteoinductive properties of bone autografts. It has been postulated
that greater regeneration could be obtained by supplementing a resorbable scaffold with regenerationcompetent
cells such as marrow stromal cells (MSC) to recreate an embryonic environment in the injured
adult tissue, and thus improve clinical outcome. These biohybrids potential (MSC seeded onto a porous
scaffold) has been proved on animal models.
In the perspective of daily use by surgeons, the process has to be simplified. It is indeed time- consuming
and labour-consuming. To overcome these issues, the use of bioreactors has been tested and validated on
animal models.
In this context, a perfusion bioreactor has been designed (WO/2009/010661). It enables to perfuse
homogeneously a large number of scaffolds. After 8 weeks of implantation, it has been shown that neoformed
bone production (by using this bioreactor) is five times superior to the classical production
techniques. This first prototype’s production capacity (30mL) is nevertheless not sufficient to large bone
defects repair (that can be up to 300mL) according to the surgeons.
Thesis work:
The objective is to design a bioreactor in order to produce a sufficient biohybrids volume for human clinical
applications. To do so, a better understanding of the mechanisms occurring in the bioreactor (fluid flow, cell
proliferation) is required. The optimal set of parameter (fluid velocity, scaffolds geometry and positioning…)
will be obtained using experimental and numerical means.
On the one hand, the local fluid flow through a porous scaffold and through the entire bioreactor will be
modeled. The porous media will be characterized and modeled using µ-CT images. This first approach will
enable to assess local tangential efforts applied by the perfusing fluid on the cells. Macroscopic fluid flow will
also be obtained using the volume averaging method. The cell proliferation will be taken into account using a
front tracking method.
To assess the cell response to the tangential efforts, an experimental setup will be designed in order to feed
our numerical model. It will enable to quantify the 3D cell proliferation and spatialization depending on
various parameters like fluid velocity and substrate rigidity using microdevices.
This study, where intricate links are weaved between numerical and experimental work, aimed at precisely
describing cell proliferation into 3D porous matrixes in a perfusion bioreactor and finally propose new
optimized geometries for the scaffolds and the bioreactor.
The scientific project at MSSMat and EM2C:
This study, aiming at understanding how mechanical stimuli influences cell behavior in a porous
environment, will be held in MSSMat and EM2C laboratories. This transversal study is based on the
complementarity of the two research groups that are Nano- and Bio- Science at MSSMat and Transport in
Porous Media at EM2C.
Direction:
Bertrand David, Researcher CNRS, MSSMat.
Elsa Vennat, Assistant Professor, MSSMat.
Benoît Goyeau, Professor, EM2C.
Other collaborations:
The microfluidic devices design will be done in close collaboration with Bruno Le Pioufle, Olivier Français
(Laboratoire SATIE-BIOMIS – Biomicrosystèmes, UMR-CNRS 8029, Ecole Normale Supérieure de Cachan).

Pre-requisite for the future PhD student:
Ability and will to exchange and share with different communities.
Computational fluid mechanics background
Knowledge in cell biology will be appreciated
Location:
Laboratoire MSSMat UMR-CNRS 8579, Laboratoire EM2C UPR-CNRS 288, Ecole Centrale Paris.
Contact :
Bertrand DAVID
Chargé de Recherche CNRS (CR1)
École Centrale Paris (École Centrale des Arts et Manufactures)
UMR CNRS 8579
Laboratoire de Mécanique des Sols, Structures et Matériaux
Grande voie des Vignes
92295 Châtenay-Malabry Cedex
Téléphone : 33 (0)1.41.13.16.54
Mail: bertrand.david@ecp.fr