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Séminaire Exceptionnel
"Matière et Systèmes Complexes"

                      

Vendredi 21 novembre 2008 à 9h30
Bâtiment Condorcet, 6ème étage, salle 646 A.

Guillaume Miquelard
(University of Massachusetts)


Relations structure - propriétés dans les élastomères et applications à la mécanique cellulaire

      Dans la première partie de ce travail des effets non-linéaires sur l’élasticité d’hydrogels lorsque ceux-ci sont soumis à des déformations importantes en compression. Ces effets non-linéaires peuvent être liés soit par des formations d’agrégats ioniques sous déformation soit par la présence de micelles hydrophobes transitoires dispersées au sein du gel. Ces deux nanostructures se révèlent être en compétition et modifient considérablement d’un point de vue macroscopique l’élasticité et la viscoélasticité de ces gels.

 

      Nous avons synthétisé de nouveaux hydrogels physiques et chimiques obtenus en réticulant chimiquement, par une réaction radicalaire thiol-ène, des chaines polyélectrolytes (PAA, contre-ion Na+) modifiées par des groupes alkyle greffés le long de la chaîne. L’hydrogel ainsi formé est donc composé d’un réseau à la fois physique, du à l’agrégation des groupements hydrophobes en micelles, et chimique. Ces micelles hydrophobes, caractérisées par SANS et RMN-C13, peuvent être modélisées comme sphériques avec un rayon caractéristique de l’ordre de 15-20 Å.

 

      Dans le domaine d’élasticité linéaire, la présence d’agrégats hydrophobes augmente G’’ de deux décades alors que G’ n’est pas affecté (contrôlé principalement par la concentration en polymère). Toutefois même pour ces gels modifiés, le module de perte reste inférieur d’une décade au module de conservation pour des déformations allant jusqu'à environ 50%2.

 

      L’un des résultats majeurs de cette étude est l’apparition de phénomènes fortement non-élastiques pour ces gels modèles lorsque ceux-ci sont soumis à des compressions uniaxiales supérieures à 50%. Ce comportement a été attribué à la formation dynamique d’agrégats ioniques induits par la déformation3. Ces agrégats ioniques dont le temps de vie caractéristique est long (de l’ordre de quelques milliers de secondes), agissent comme des points de réticulation transitoires supplémentaires, causant macroscopiquement un durcissement important du gel ainsi qu’une forte hystérèse lors de la décompression.

 

      Dans le cas des gels modifiés, ce processus d’agrégation est perturbé par la présence des micelles hydrophobes, dont le temps de vie caractéristique est beaucoup plus faible. Le durcissement du matériau est ainsi beaucoup moins abrupt avec la déformation et les gels ont des contraintes maximales à la rupture significativement plus élevées4. 

 

Dans la seconde partie de ce travail, nous nous intéressons à la mécanique cellulaire grâce a la mise en forme de substrats micro ou nanostructurés. La mécanique de cellules individuelles a fait l’objet d’un grand nombre d’études au cours de ces dix dernières années, notamment en termes d’adhésion focale, interaction réciproque entre une cellule et son substrat. Cependant, il semble que, lorsque les cellules deviennent confluentes, l’effet du substrat soit moins important: les forces mises en jeu par les jonctions intercellulaires seraient alors prédominantes, comparativement à celles dues à l’adhésion focale5. D’un point de vue fondamental, la mécanique cellulaire reste donc imparfaitement comprise, notamment la compétition entre ces interactions réciproques cellule/cellule et cellule/substrat.

            Nous avons développé un nouveau type de substrat6 suivant la procédure schématisée dans la figure 1: En utilisant des techniques de microphotolithographie, un élastomère de type polydymethylsiloxane (PDMS) peut facilement être moulé. Au-dessus de ce moule de PDMS est déposé un film mince de polystyrène (PS). La forme ainsi que les dimensions des cavités des moules PDMS peuvent être facilement contrôlées, ainsi que l’épaisseur du film mince (de quelques nms jusqu’au µm). Sur ce substrat sont déposées les cellules, qui, en s’attachant, imposent à la portion de film de PS au-dessus des fonctionnalités une déformation contrôlée. La rigidité du substrat peut être facilement contrôlée par la géométrie des structures introduites, et par les propriétés des matériaux mis en jeu. En étudiant la croissance cellulaire, il est possible d’obtenir des informations à la fois sur les interactions cellule/substrat et cellule/cellule.

            Zimberlin et al.6 ont tout d’abord comparé la croissance de fibroblastes et de cellules épithéliales, en utilisant un film de PS de 800nm déposé sur un moule de PDMS présentant des cavités sphériques de rayon compris entre 400 et 800 microns. En mesurant par microscopie confocale la déformation causée par les cellules sur le film, nous avons montré que les cellules épithéliales appliquent collectivement une déformation plus importante que les fibroblastes. Ce résultat est en contradiction avec ceux obtenus pour des cellules individuelles7. Les fibroblastes présentant moins de jonctions intercellulaires que les cellules épithéliales, cela semble confirmer que les forces induites par ces jonctions finissent par s’avérer le facteur dominant le comportement du système. En diminuant le rayon des cavités, nous cherchons désormais à déterminer la taille caractéristique au-delà de laquelle les jonctions intercellulaires deviennent prédominantes.

        

 

Références

[1] Miquelard-Garnier, G.; Creton C.; Hourdet, D. ; Macromolecul. Symp., 2007, 256, 189

[2] Miquelard-Garnier, G.;  Demoures, S.;  Creton, C.; Hourdet, D. ; Macromolecules 2006, 39, 8128

[3] Miquelard-Garnier, G.;  Creton, C.; Hourdet, D.; Soft Matter, 2008, 4, 1011

[4] Miquelard-Garnier, G.; Creton C.; Hourdet, D.; Polymer, accepté (11 2009)

[5] Yeung, T., et. al., Cell Motility and the Cytoskeleton, 2005, 60, 24

[6] Zimberlin J.A., et al., Cell Motility and the Cytoskeleton, 2008, 65, 762

[7] du Roure, O., et. al., PNAS, 2005, 102, 2391