Multiscale mechanics of soft tissues
Mécanique multi-échelle des tissus mous
Résumé
Fibre networks are ubiquitous structures in biological tissues, both at the macroscopic level being the main ingredient in soft tissues and at the microscopic level, as constituents of collagen structures or the cytoskeleton. The goal of this work is to propose a model based on the physical microstructure of fibre networks in order to provide an understanding of the mechanical behaviour of biological fibre networks. The current model starts from fibres sliding with respect to one another and interacting via spring-like cross-bridges. These cross-bridges can attach and detach stochastically with a load-dependent detachment rate. Compared to existing modelling approaches, this work features a dynamic sliding configuration for the interacting fibres and discrete binding sites which permit attachment on localised spaces of the fibre. The detachment of cross-bridges is based on thermal diffusion out of an energy well, following the Kramers rate theory. This theory provides a physical background to the detachment dynamics as well as a natural load dependency in the tilting of the energy landscape by the load force. The model provides two modes by which the depicted system may be driven: an imposed velocity driving, called a hard device and an imposed load driving, called a soft device. The work also provides a way of visualising the behaviour of the model by performing a stochastic simulation. The simulations provided present two algorithms, each tailored to represent the driving of the system, whether in hard or soft device, respecting the causality in each of the driving mode. Simulation results are explored via data visualisation of simulation output. These visualisation serve as an entry point into parametric investigation of the model behaviour and anchor the interpretation of the results into physical systems. In particular, the influence of binding site spacing, one of the key features of the model, is investigated. We also investigate the effects of complex loading paths (transitory, cyclic, etc.) which can be associated to the physiological loadings fibrous tissues.
Les réseaux de fibre sont une structure omniprésente dans les tissus biologiques, aussi bien au niveau macroscopique, où ils sont l'ingrédient principal des tissus mous, qu'au niveau microscopique, en tant que constituants des structures collagèniques ou du cytosquelette. L'objectif de ce travail de thèse est de proposer un modèle basé sur la microstructure physique des réseaux de fibres afin d'obtenir une compréhension du comportement mécanique des réseaux de fibres biologiques. Le modèle est basé sur une description de fibres glissant les unes par rapport aux autres et interagissant via des ponts qui se comportent comme des ressorts. Ces ponts peuvent s'attacher et se détacher de manière stochastique avec un taux de détachement qui dépend de la force subie. Comparé aux modélisations existantes, notre travail met en jeu une configuration en glissement dynamique des fibres, ainsi que des sites d'attachement discrets ne permettant l'attachement qu'à des endroits localisés de la fibre. Le détachement des ponts est basé sur la diffusion thermique hors d'un puit de potentiel suivant la théorie de Kramers. Cette théorie donne un contexte physique à la dynamique du détachement ainsi qu'une dépendance naturelle du détachement au chargement via l'inclinaison du paysage énergétique par la force de chargement. Le modèle donne deux modes de contrôle du système : un contrôle à vitesse imposée, appelé système dur, et un contrôle à force imposée, appelé système mou. Notre travail permet également de visualiser le comportement du système à travers une simulation stochastique. Les simulations offrent deux algorithmes, chacun adapté à la méthode de contrôle du système, en système dur ou mou et respectant la causalité dans chacun des modes. Les résultats de la simulation sont explorés via la visualisation des données sortantes de la simulation, qui servent de support pour l'investigation paramétrique du comportement du modèle et ancrent l'interprétation physique des résultats. En particulier, l'influence de l'espacement des sites d'attachement du système, un point caractéristique du modèle, est examiné. De même, nous explorons l'effet de chargements complexes (transitoires, cycliques, etc.) qui représentent les chargements physiologiques des tissus fibreux.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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