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Écoulements de suspensions concentrées de globules rouges en micro-canaux : étude expérimentale

28 janvier 2013

Résumé :

Le sang est une suspension concentrée (45 % en volume) de cellules déformables, les globules rouges, dans un liquide newtonien, le plasma. Dans la microcirculation, i.e. le sous-ensemble du système de circulation sanguine où s’effectuent les échanges de matière entre le sang et les tissus, les tailles de vaisseaux sont comparables à la taille d’un globule rouge (environ 10 μm). En conséquence, les effets dynamiques liés à la présence de ces cellules induisent des comportements rhéologiques complexes, qui jouent un rôle important dans le transport de l’oxygène vers les tissus. En particulier, aux bifurcations microvasculaires divergentes, les débits de globules rouges et de plasma peuvent se répartir de façon non proportionnelle entre les deux branches filles. La fraction volumique de globules rouges (hématocrite) dans l’une des branches filles est alors plus élevée que celle de la branche d’entrée, et la fraction volumique dans l’autre branche y est plus faible. Cet effet, connu sous le nom d’effet de séparation de phase, induit une très grande hétérogénéité de l’hématocrite d’un vaisseau à l’autre dans la microcirculation. Il induit également un couplage l’entre l’architecture du réseau microvasculaire et la dynamique de l’écoulement sanguin dans ce réseau. L’objectif de ce travail de thèse est d’étudier finement l’effet de séparation de phase in vitro, dans un régime représentatif des conditions physiologiques, au moyen de dispositifs microfluidiques modélisant les bifurcations microvasculaires, et de suspensions de globules rouges. Dans ce but, un dispositif expérimental microfluidique a d’abord été élaboré. Puis, les aspects métrologiques spécifiques aux suspensions concentrées ont été abordés afin de quantifier les paramètres de l’écoulement. En particulier, la technique de dual-slit a été comprise et optimisée, assurant une mesure précise de profils de vitesse de globules rouges en microcanaux. Des métrologies spécifiques à nos conditions expérimentales ont également été mises en place pour déterminer l’hématocrite. Ces techniques ont été validées par vérification du principe de conservation de la masse entre les trois branches d’une bifurcation, et elles nous ont permis de caractériser les écoulements de globules rouges dans des micro-canaux de différentes tailles (10 à 100 μm), et ce pour de larges gammes de débits et de concentrations. Enfin, l’écoulement de suspensions de globules rouges a été étudié au niveau de micro-bifurcations, dans l’objectif de caractériser l’effet de séparation de phase pour des tailles de canaux et des gammes d’hématocrites qui n’ont pas été étudiés auparavant en conditions d’écoulement contrôlées.

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