Caractérisation expérimentale du comportement collectif de globules rouges : résistance au mouvement et migration.

Il existe une corrélation étroite entre l’oxygénation des tissus et la genèse de certaines pathologies (tumeurs, maladie d’Alzheimer). L’apport en oxygène, essentiel aux tissus, est assuré par l’hémoglobine contenue dans les globules rouges au niveau de la microcirculation sanguine. Le sang est un fluide complexe, composé de cellules déformables en suspension dans du plasma. Le couplage entre l’architecture des réseaux microvasculaires et les propriétés du sang amène à de nombreuses hétérogénéités dans la distribution des globules rouges (hématocrite local), à l’échelle d’un vaisseau ou du réseau. Les bifurcations, notamment, induisent les principales perturbations de l’écoulement, entraînant des asymétries significatives des profils d’hématocrite à l’échelle des vaisseaux. Bien souvent, dans les réseaux physiologiques, la distance entre deux bifurcations successives est insuffisante pour que les globules rouges relaxent vers une distribution symétrique de l’hématocrite. La compréhension des mécanismes moteurs de la migration des globules, qui sous-tend la dynamique transitoire de ces hétérogénéités, est donc fondamentale pour développer des modèles de transport d’oxygène.

Nous proposons, dans cette thèse, d’étudier expérimentalement le comportement collectif de globules rouges après une perturbation, et de nous inspirer des modèles existants pour les suspensions denses de particules solides afin d’établir les lois constitutives minimales permettant de décrire ce comportement. Nous montrons qu’un modèle minimal repose sur la définition de trois lois rhéologiques, que nous déterminons indépendamment, à partir de trois dispositifs expérimentaux. Leurs paramètres dépendent de l’hématocrite, mais peuvent également être influencés par le cisaillement en raison de la déformabilité des globules rouges. La première loi est étudiée à travers la sédimentation de suspensions de globules rouges dans un récipient non confiné. Cette configuration permet de caractériser la résistance visqueuse au mouvement d’un globule rouge au travers de la suspension. L’équilibre entre le poids, la force de flottabilité et la résistance visqueuse du fluide suspendant permet de définir une quantité homogène à une viscosité que nous appelons viscosité de sédimentation. Nous nous intéressons ensuite à la résistance du mélange à un écoulement cisaillé, qui s’exprime à travers une viscosité effective, la viscosité de cisaillement. Nous caractérisons cette viscosité par des expériences en viscosimètre cône-plan. Nous mettons également en évidence le rôle du glissement aux parois qu’induit un traitement de surface avec une solution d’albumine, une protéine réputée pour ses propriétés anti-adhésives. Enfin, dans un canal confiné, les globules rouges migrent sous l’effet de gradients de cisaillement ou de concentration. Cette migration introduit un troisième paramètre que nous qualifions de viscosité de pression. Nous évaluons ce dernier en étudiant la relaxation des profils d’hématocrite, depuis leur forme asymétrique après une bifurcation microfluidique, dans des canaux de 20 µm de large, jusqu’au rétablissement de leur symétrie. Nous proposons une description paramétrique simple de ces profils et nous mesurons, à partir de cette analyse, la dépendance de la longueur de relaxation en fonction de l’hématocrite, que nous interprétons ensuite en termes de rhéologie.

Ces mesures constituent à notre connaissance une première description quantitative de la migration collective de globules rouges en régime confiné. L’établissement des trois lois constitutives ci-dessus, comble un manque dans la littérature sur la modélisation de la migration des globules rouges, où ce travail montre que des lois inadaptées sont souvent utilisées.