La soutenance de thèse de Faisal AHMAD du Laboratoire Rhéologie et Procédés (LRP) et de TIMC PRETA aura lieu vendredi 29 Septembre à 13h45 sur le thème :

« Étude de la fonction gastro-intestinale aux échelles macroscopiques et microscopiques : perspectives offertes par des modèles de dynamique des fluides. »
 

Jury :

• Clément DE LOUBENS, Chargé de recherche, Université Grenoble Alpes - Directeur de thèse
• Stéphane TANGUY, Maître de conférence, HDR, Université Grenoble Alpes - Co-encadrant de thèse
• Valérie DEPLANO, Directrice de recherche, CNRS Marseille - Rapporteure
• Aline BEL-BRUNON, Maîtresse de conférence, HDR, INSA Lyon - Rapporteure
• Philippe PEYLA, Professeur des Universités, Université Grenoble Alpes - Examinateur 

  Mots clés

microfluidique ; interactions fluides-structures ; rhéologie ; biofluidique ; biomécanique ; matière molle

  Résumé

Le tractus gastro-intestinal (GI) joue un rôle crucial dans l'absorption des nutriments. Sa motilité est induite par son activité motrice et est essentielle pour la décomposition des aliments, leur mélange avec les sécrétions, l'absorption des nutriments et le transport du digesta. De nombreux aspects de sa biomécanique ne sont pas bien compris. Des modèles mécanistiques sont nécessaires pour mieux appréhender son fonctionnement. Dans cette thèse, nous nous concentrons sur deux aspects principaux en combinant la dynamique des fluides computationnelle (CFD) avec des techniques expérimentales d'imagerie. Le premier concerne l'écoulement de fluides complexes, les feces, dans le rectum. Le deuxième concerne les phénomènes d'écoulement à l'échelle microscopique dus à la présence de structures actives à petite échelle dans l'intestin grêle, les villosités.

Nous développons un modèle CFD bidimensionnel (2D) spécifique au patient de l'évacuation rectale en combinant la vidéo-défécographie et les méthodes de lattice-Boltzmann. Les vidéo-défécographies sont réalisées avec un substitut ayant une rhéologie similaire aux selles molles et qui est modélisé comme un fluide à seuil d'écoulement. Dans une défécation normale, le champ de pression simulé est homogène dans la cavité rectale, avec un gradient de la jonction anorectale vers le canal anal. Par conséquent, la perte de pression est attribuée à l'écoulement des selles à travers la jonction anorectale et le canal anal. Ce gradient est contrôlé par les propriétés rhéofluidiantes du fluide plutôt que par son seuil d'écoulement, ce qui entraîne des relations pression-débit fortement non linéaires. Des champs de pression pour des patients présentant une défécation altérée sont également simulés. Les comparaisons avec des patients normaux révèlent une dysfonction potentielle de la contractilité de la paroi rectale chez certaines personnes.

Nous simulons les phénomènes d'écoulement induits par les villosités de l'intestin à des échelles microscopiques grâce à des données de motilité du duodénum du rat. Nous faisons l'hypothèse que le mouvement des villosités est induit par les contractions des muscles lisses longitudinaux. Le modèle 2D représente un ensemble infini de villosités rigides avec des structures en forme de feuilles, où chaque villosité oscille longitudinalement avec un décalage de phase fixe par rapport aux villosités voisines. Cela entraîne des flux radiaux et axiaux pulsés. Le mouvement des villosités induit un écoulement permanent dans les régions où l'écoulement serait autrement stagnant, du fait du déphasage et de l’inertie. Ce mouvement entraîne également un pompage axial irréversible dans la lumière intestinale. Ces flux améliorent probablement le transfert de masse et favorise le mélange auprès des villosités.

Enfin, nous présentons le développement d'un dispositif expérimental visant à étudier la motilité et l'écoulement de l'intestin grêle à l'échelle des villosités. Sa particularité réside dans sa capacité à observer les villosités dans des conditions isotoniques. Afin de valider le dispositif, nous avons quantifié la motilité du duodénum sous différentes charges. Les données obtenues permettent de caractériser la motilité duodénale en utilisant des paramètres tels que l'amplitude et la fréquence des contractions, ainsi que des cartes de taux de déformation. Le dispositif offre des perspectives prometteuses pour observer les écoulements des fluides autour des villosités dans le duodénum.

En conclusion, cette thèse vise à intégrer des techniques d'imagerie à des échelles macro et micro dans des modèles de dynamique des fluides complexes afin de mieux comprendre les phénomènes de transport dans le tractus gastro-intestinal (GI). Cette thèse fournit des informations physiques précieuses qui contribuent à une compréhension plus approfondie de la biomécanique du tractus GI et présente un potentiel d'applications cliniques.