Multiscale experimental and theoretical investigation of the structure-property relationships in the myocardium
Tissus cardiaques : étude du lien entre organisation du tissu et propriétés mécaniques.
Résumé
The myocardium is a complex tissue, primarily made of cardiac cells and extra-cellular collagenous matrix, arranged in a hierarchical microstructure. This microstructure evolves with time, either physiologically or pathologically, altering the macroscopic mechanical properties of heart, hence its function. The objective of this PhD thesis is to improve our understanding of the structure-properties relationships in the cardiac tissue by focusing on the role of mesostructure, called the sheetlet, on the macroscopic mechanical properties. In a first part, a literature review of the existing literature on the role of sheetlet is performed. In the second chapter, we present an experimental setup we developed, combining a full-field Mueller polarimetric imager and an in-situ traction device with a local measure of the deformation during sample stretch. We observe a global cohesion of the tissue apart on separation lines at the mesoscale, that tend to open under traction. We hypothesize that these lines are the collageneous layers separating the sheetles, bundles of cardiomyocytes surrounded by layers of perimysial collagen. In the third chapter, we propose a simple optical method combined with a fast image analysis to extract the sheetlet local orientation on left ventricle slices, in order to construct a 3D mapping of the sheetlet organization in the heart. In the second part of the PhD thesis (chapter four), we propose a multiscale model of the myocardium aiming at determining the structural origin of the observed macroscale mechanical anisotropy. Indeed, the observed orthotropy can be due either to the rotation of the cell orientation, or to the presence of the mesoscale collageneous layers. We design three mesostructures made of different configurations of cardiomyocytes and collagen. The mechanical response of these mesostructures are homogenized with numerical periodic homogenization, and the obtained material parameters are used in a macroscopic simulation of a shear experiment. The comparison between our results and the experimental data show that the collagen layers are necessary to reproduce the material orthotropy. The final chapter of this thesis presents some perspectives of this work.
Le myocarde est un tissu complexe, principalement constitué de cellules cardiaques et d'une matrice collagénique extracellulaire, disposés selon une microstructure hiérarchique. Cette microstructure évolue au cours du temps, de manière physiologique ou pathologique, altérant les propriétés mécaniques macroscopiques du cœur, donc sa fonction. L'objectif de cette thèse est d'améliorer notre compréhension des relations structure-propriétés dans le tissu cardiaque en s'intéressant au rôle de la mésostructure, appelée feuillet, sur les propriétés mécaniques macroscopiques. Dans une première partie, une revue de la littérature existante sur le rôle du feuillet est réalisée. Dans le deuxième chapitre, nous présentons un montage expérimental que nous avons développé, combinant un imageur polarimétrique Mueller plein champ et un dispositif de traction in-situ avec une mesure locale de la déformation lors de l'étirement de l'échantillon. On observe une cohésion globale des tissus à part sur des lignes de séparation à mésoéchelle, qui ont tendance à s'ouvrir sous traction. Nous émettons l'hypothèse que ces lignes sont les couches collagéniques séparant les feuillets, des faisceaux de cardiomyocytes entourés de couches de collagène périmysial. Dans le troisième chapitre, nous proposons une méthode optique simple combinée à une analyse d'image rapide pour extraire l'orientation locale des feuillets sur des coupes de ventricule gauche, afin de construire une cartographie 3D de l'organisation des feuillets dans le cœur. Dans la deuxième partie de la thèse (chapitre quatre), nous proposons un modèle multi-échelle du myocarde visant à déterminer l'origine structurale de l'anisotropie mécanique macro-échelle observée. En effet, l'orthotropie observée peut être due soit à la rotation de l'orientation des cellules, soit à la présence des couches collagéniques méso-échelle. Nous concevons trois mésostructures constituées de différentes configurations de cardiomyocytes et de collagène. La réponse mécanique de ces mésostructures est homogénéisée avec une homogénéisation périodique numérique, et les paramètres de matériau obtenus sont utilisés dans une simulation macroscopique d'une expérience de cisaillement. La comparaison entre nos résultats et les données expérimentales montre que les couches de collagène sont nécessaires pour reproduire l'orthotropie du matériau. Le dernier chapitre de ce manuscrit présente quelques perspectives de ce travail.
Origine : Version validée par le jury (STAR)