MODELISATION PROBABILISTE PAR BOOTSTRAP DU

Matériaux & Surfaces, Mécanique et Morphologie des surfaces, 2010
Ref : A_3_1_2_2010_MB_01
MODELISATION PROBABILISTE PAR BOOTSTRAP DU CONTACT
CELLULAIRE SUR LES MATERIAUX METALLIQUES BIOCOMPATIBLES
Objectif : Acquérir les connaissances fondamentales sur les mécanismes impliqués dans les cinétiques adhésives
entre une surface rugueuses et des cellules biologiques.
Etat de l’art et originalité : L’influence de l’amplitude de la rugosité sur l’adhésion cellulaire est souvent
limitée à de faibles variations d’amplitude obtenues par différents procédés de traitement de surfaces conduisant
à des chimies surfaciques différentes. Des surfaces à chimie de surface identique possédant un large étendu
d’amplitude de rugosité (Ra de 1 à 22 µm) sont créées par électroérosion pour déterminer sans artefact chimique
le relation Adhésion/Rugosité.
Nombre de cellules
Méthodes et Résultats : Des surfaces modèles sont spécifiquement développées afin de tenter de discriminer
l'influence relative de la topographie et de la chimie de surface sur la réponse cellulaire. Des mesures
quantitatives de l'adhésion et de la prolifération cellulaire sur ces surfaces sont également corrélées
statistiquement avec les paramètres décrivant l'amplitude, la fréquence et l'organisation de la topographie. Nous
avons développé une modélisation probabiliste de l’adhésion cellulaire sur des surfaces rugueuses auto affines.
Cette étude utilise plusieurs outils de modélisations (Analyse multi échelles de la topographie, Modélisation
statistique multi-critères, Formulation probabiliste de l’adhésion, Détermination des incertitudes par bootstrap
(simulation statistique par sur-échantillonnage), Calage de modèles par méthodes inverses en minimisant les
extrema locaux (technique originale). A l’aide de ces outils, nous montrons la présence de deux longueurs
caractéristiques de l’adhésion cellulaire en donnant, grâce à l’utilisation du bootstrap, les incertitudes sur ces
longueurs locales de la surface (figure 1). Nous proposons alors une ébauche d’interprétation biologique basée
sur la mécanique de la cellule et de ses contraintes internes.
130
120
110
100
90
Expérimental
Modelisé
80
70
25
50
75
100
125
150
175
200
225
250
Sm (µm)
Fig. 1 résultats des cultures cellulaires sur échantillons de Ti par superposition des images DAPI, FITC et
lumière blanche (gauche). Nombre de cellules adhérant à la surface en fonction du paramètre de rugosité Sm
(distance entre les aspérités) : Résultats expérimentaux avec incertitudes bootstrap (nuage ) et par modélisation
probabiliste ( ) .
Conclusion : Présence de deux longueurs caractéristiques de l’adhésion cellulaire sur les biomatériaux.
Perspective(s) : Développer un modèle numérique 3D de l’adhésion cellulaire en intégrant les stress cellulaires
provoqués par l’état de surface. Réalisation et intégration in vivo (sur animal) d’implants.
Retombée(s) : Intégrer le procédé d’électroérosion comme procédés de traitement de surface de biomatériaux
afin d’augmenter l’adhésion cellulaire lors des implantations chirurgicales.
Personne(s) impliquée(s) : M. Bigerelle (Roberval, Compiègne)
Collaborations externes : K Anselme (ICSI, Mulhouse) et S. Giljean (MMP, Mulhouse).
Mots Clefs : Adhésion cellulaire, rugosité, électroérosion, titane, modèlisation.
Publication(s) Significative(s) :
Bigerelle M, Anselme K, Giljean S. Cell adhesion on fractal self-affine surfaces, Int. J. Artificial Organs. 32(7)
2009, 461-462.
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