Soutenance de thèse de ACHARYA Kiran
Titre de thèse
détection de la pression et transport de fluide dans des canaux souples
inspirés du système lymphatique
pressure sensing and fluid transport in lymphatic-inspired
compliant channels
Résumé de la thèse
Les vaisseaux lymphatiques collectent la lymphe et la transportent à l'encontre de gradients de pression défavorables à travers une série de segments contractiles, appelés lymphangions, chacun délimité par une paire de valves passives. Le dysfonctionnement de ces valves entraîne des maladies pour lesquelles les traitements actuels sont principalement palliatifs et ne s'attaquent pas à la cause sous-jacente. Malgré son importance clinique, la mécanique des fluides du transport lymphatique à l' échelle des vaisseaux reste mal caractérisée, car ce système est robuste dans son fonctionnement et tombe rarement en panne, ce qui lui vaut beaucoup moins d'attention que le système circulatoire sanguin. De plus, l' accès aux vaisseaux in vivo est également difficile, car ils sont enfouis et difficiles à visualiser en raison de la diffusion tissulaire. Cette thèse comble des lacunes majeures dans la compréhension du fonctionnement de ces lymphangions et les étudie à l'aide de systèmes modèles bio-inspirés fabriqués à partir de matériaux polymères. L'interférométrie à décalage quadrilatéral (QLSI) est utilisée pour déduire la pression à l'intérieur d'un microcanal cylindrique en PDMS à partir de mesures optiques de la déformation des parois. En appliquant des pressions internes, cette technique permet de déterminer simultanément le diamètre extérieur et le contraste d'indice de réfraction du canal à partir d'une seule image . La déformation mesurée est décrite analytiquement par un modèle néo-hookéen pour un cylindre à paroi épaisse et confirmée numériquement par une simulation par éléments finis . Les trois approches sont en bon accord, ce qui établit la QLSI comme un capteur de pression quantitatif et non invasif pour les microcanaux microfluidiques flexibles. La technique permet en outre de résoudre la réponse transitoire des parois à des paliers de pression avec une précision submicronique et une résolution temporelle de 0,5 s. Les expériences impliquant des valves sont menées dans des canaux de dimensions millimétriques en raison des limitations de fabrication. Un réseau de feuilles de polymère souples à l'intérieur d'un canal rigide produit une asymétrie d'écoulement qui augmente avec la densité des feuilles et est bien décrite par une relation quadratique pression-débit. Un canal flexible en PDMS présentant la même géométrie de feuilles, soumis à une compression externe cyclique, génère un transport net unidirectionnel soutenu. Cette unité a ensuite été étendue à 3 et 5 unités. Une fois normalisé par le volume imposé et représenté graphiquement en fonction du nombre viscoélastique — un rapport entre la traînée visqueuse et la force de rappel élastique des feuilles, le transport de fluide présente un optimum clair pour toutes les longueurs de canal, en accord avec des simulations numériques bidimensionnelles. Ce travail démontre que les mesures de phase optique dans des microcanaux flexibles peuvent servir de diagnostic quantitatif de la pression, et que les réseaux collectifs de feuilles flexibles soumis à une compression cyclique reproduisent les caractéristiques essentielles du pompage lymphatique. Ensemble, ces deux contributions font progresser une orientation commune, à savoir le développement de systèmes modèles expérimentaux pour l'étude de la mécanique du transport du fluide lymphatique.
Thesis resume
Collecting lymphatic vessels transport lymph against adverse pressure gradients through
a series of contractile segments, called lymphangions, each bounded by a pair of passive valves. Dysfunction of these valves leads to diseases for which current treatments are primarily palliative and do not address the underlying cause as it is difficult to understand the reason for the failure. Despite its clinical relevance, the fluid mechanics of lymph transport at the vessel scale remain poorly characterized as this system is robust in its functioning and rarely fails, attracting far less attention compared to the blood circulatory system. Further, the access to the vessels in-vivo is also difficult as they are embedded and hard to image due to tissue scattering. Therefore, this thesis takes the approach of physical experimental models that are simplified, accessible systems made of compliant polymer material, reproducing the essential mechanics of the lymphatic vessel at controlled scales. It identifies key gaps in understanding the functioning of these lymphangions and addresses two of them: the need to measure non-invasively pressure change in micrometric channels and the need to understand the collective interaction of valves in collecting lymphatics. Quadriwave Lateral Shearing Interferometry (QLSI) is used to infer pressure with high sensitivity inside a cylindrical PDMS microchannel from phase-sensitive optical measurements of wall deformation. Upon the application of internal pressures, the technique recovers both the channel outer diameter and the refractive index contrast between substrate and fluid simultaneously from a single phase image. The measured deformation is described analytically by a Neo-Hookean model for a thick-walled cylinder and confirmed numerically by COMSOL finite element simulation. All three approaches are in close agreement, establishing QLSI as a quantitative, non-invasive pressure sensor for soft microfluidic channels. The technique further resolves the transient wall response to pressure steps with sub-micron precision at 0.5 s time resolution. Having established that wall deformation encodes pressure in a compliant channel, the second part of this thesis focuses on the other mechanical feature of the lymphatic pump which is the valves that rectify flow. In a second series of experiments, an array of flexible polymer leaflets inside a rigid millimetric-sized channel is shown to produce flow asymmetry that grows with leaflet density. These observations are well described by a quadratic pressure-flow relation. A flexible PDMS channel with the same leaflet geometry, subjected to cyclic external compression, generates sustained unidirectional net transport. This unit is then scaled up to 3 and 5 units to characterize the role of channel length. When normalized by the imposed volume and plotted against the visco-elasto number (a ratio of viscous drag to leaflet elastic restoring force), the fluid transport shows a clear optimum independently of the system size. This work demonstrates that optical phase measurements in compliant microchannels can serve as a quantitative pressure diagnostic, and that collective leaflet arrays under cyclic compression reproduce key features of lymphatic pumping. Together, these two contributions advance a common direction which is development of experimental model systems for studying the mechanics of lymphatic fluid transport.