Thèse <strong>Alloc. Ut Priorité 2 < - Strong>Optimisation d'Impressions 3D de Matrices Fibrillaires pour la Biologie Grâce à des Modèles Numériques Mécaniques</strong> H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Toulouse
École doctorale : SDM - SCIENCES DE LA MATIERE - Toulouse
Laboratoire de recherche : LAAS - Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes
Direction de la thèse : Bastien VENZAC ORCID 0000000223485165
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-07-01T23:59:59

Le projet OMMM (Optimisation d'impressions 3D de matrices fibrillaires pour la biologie grâce à des modèles numériques mécaniques) vise à développer des biomatériaux innovants pour la culture cellulaire. Ces biomatériaux, appelés scaffolds fibrillaires, reproduisent les propriétés architecturales et mécaniques des matrices extracellulaires naturelles. Contrairement aux hydrogels traditionnels, ces scaffolds permettent de découpler la porosité et la rigidité, offrant ainsi un outil unique pour étudier l'influence spécifique de chaque paramètre sur le comportement cellulaire.

Le projet s'articule autour de quatre axes principaux. Le premier axe concerne la fabrication et la caractérisation mécanique des scaffolds. Grâce à l'impression 3D biphotonique, des réseaux de fibres sub-micrométriques seront créés avec un contrôle précis de leur diamètre et de leur organisation. Des fibres mobiles seront introduites pour permettre un remodelage du biomatériau, tandis que des tests mécaniques couplés à l'imagerie optique et à la microscopie de fluorescence permettront de caractériser leurs propriétés.

Le deuxième axe se concentre sur la modélisation par éléments finis des scaffolds. En collaboration avec l'Institut Clément Ader, un jumeau numérique sera développé pour prédire les propriétés mécaniques des biomatériaux. Ce modèle sera recalé grâce à une approche « FEMU » qui compare les données expérimentales et les simulations. Les paramètres mécaniques, tels que la raideur et la plasticité des fibres, seront identifiés à l'aide de techniques comme la microscopie à force atomique.
Le troisième axe portera sur le design automatisé des scaffolds. Un algorithme d'optimisation topologique sera utilisé pour concevoir des architectures de fibres répondant à des propriétés mécaniques et architecturales cibles. Les contraintes liées à l'impression 3D, comme la rétractation des fibres, seront prises en compte pour garantir la faisabilité des designs proposés.

Enfin, le quatrième axe étudiera les interactions entre les cellules et les scaffolds. En collaboration avec l'IRSD, les forces de traction exercées par les cellules (comme les fibroblastes) sur les fibres seront mesurées. Le jumeau numérique permettront de quantifier ces forces à partir des déformations observées, offrant des informations précieuses sur le comportement cellulaire en fonction du phénotype ou des traitements appliqués.

Le projet OMMM combine la microfabrication, la modélisation mécanique et la biologie cellulaire pour créer des biomatériaux sur mesure. Cette approche permet de répondre à des enjeux majeurs en biotechnologie, notamment la réduction de l'expérimentation animale et le développement de modèles de tissus pour des applications en médecine régénérative.

Le projet OMMM s'inscrit dans un contexte scientifique où les biomatériaux pour la culture cellulaire 3D jouent un rôle clé en biotechnologie et médecine régénérative. Les matrices extracellulaires (MEC) naturelles, avec leurs propriétés architecturales (porosité, organisation des fibres) et mécaniques (élasticité, viscosité), influencent fortement le comportement cellulaire. Cependant, les biomatériaux actuels, principalement des hydrogels, ne permettent pas de découpler ces paramètres, limitant ainsi leur utilité pour étudier l'impact spécifique de chaque propriété sur les cellules.
Le projet OMMM propose une approche innovante en utilisant l'impression 3D biphotonique pour fabriquer des scaffolds fibrillaires, reproduisant fidèlement la microarchitecture des MEC naturelles. Ces scaffolds permettent de contrôler indépendamment la porosité et les propriétés mécaniques, grâce à des fibres sub-micrométriques et des liaisons ajustables. L'introduction de fibres mobiles vise à imiter le remodelage dynamique des MEC, offrant un outil unique pour étudier les interactions cellule-matrice.
Le projet s'appuie sur un écosystème collaboratif entre le LAAS-CNRS, l'Institut Clément Ader, et l'IRSD, combinant microfabrication, modélisation mécanique (via des jumeaux numériques et des modèles éléments finis), et biologie cellulaire. Cette interdisciplinarité permet de prédire et optimiser les propriétés des scaffolds, tout en mesurant les forces de traction exercées par les cellules, pour des applications en thérapies cellulaires et organes sur puce.
En alignement avec des initiatives régionales (Occitanie) et nationales (PEPR Med-OoC), le projet vise à réduire l'expérimentation animale et à développer des modèles de tissus plus fidèles. Il renforce ainsi la position de Toulouse comme pôle d'excellence en biomatériaux et en ingénierie pour le vivant.

Profil recherché: génie mécanique, simulation numérique, micro-nanofabrication