Thèse Technologies Microphysiologiques pour l'Étude des Transports Osmotiques et Électro-Osmotiques dans les Tissus H/F Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Toulouse École doctorale : GEETS - Génie Electrique Electronique,Télécommunications et Santé : du système au nanosystème Laboratoire de recherche : LAAS - Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes Direction de la thèse : Jean CACHEUX ORCID 0000000166715533 Début de la thèse : 2027-09-01 Date limite de candidature : 2026-11-23T23:59:59 Ce projet de thèse vise à développer de nouvelles technologies microphysiologiques instrumentées permettant de caractériser les mécanismes couplés de transport osmotique, électro-osmotique et poromécanique dans des modèles biomimétiques de tissus.

Les tissus biologiques sont des milieux poreux, hétérogènes et chargés dans lesquels les transports de fluides et de molécules sont étroitement couplés aux déformations mécaniques. Ces mécanismes jouent un rôle essentiel dans les échanges de nutriments, de métabolites et d'agents thérapeutiques, et sont profondément modifiés dans certaines pathologies, notamment les cancers et les fibroses. Pourtant, les interactions entre gradients osmotiques, phénomènes électrocinétiques et réponse mécanique des tissus restent encore mal comprises, en particulier faute de dispositifs expérimentaux permettant de les mesurer simultanément.

Le projet s'appuiera sur la technologie PRESTO développée au LAAS-CNRS, qui permet de mesurer conjointement écoulement et déformation dans des matériaux poroélastiques. Cette approche sera étendue à l'étude des transports induits par des gradients de concentration et des champs électriques dans des matrices de collagène et des hydrogels.

Une nouvelle génération de dispositifs microfluidiques sera développée en intégrant des interfaces électroniques souples capables de mesurer en temps réel les déformations et les dynamiques de transport. Des fonctions de stimulation électrique seront également intégrées afin d'étudier quantitativement les contributions électro-osmotiques.

Le projet associera microfluidique, microfabrication, mécanique des milieux poreux, imagerie de fluorescence et électronique souple. Il bénéficiera des expertises complémentaires du LAAS-CNRS et du Matsuhisa Laboratory de l'Université de Tokyo, notamment au travers de séjours de recherche au Japon.

Les dispositifs développés permettront d'établir une plateforme expérimentale originale pour comprendre les couplages électro-chemo-mécaniques dans les tissus et pourront ouvrir de nouvelles perspectives pour l'étude du transport de médicaments, des microenvironnements tumoraux, de la fibrose et des tissus ingénierés. Les tissus biologiques peuvent être décrits comme des milieux poreux déformables dans lesquels phase solide, fluide interstitiel, ions et macromolécules interagissent. Les gradients de concentration de macromolécules peuvent générer des différences de pression osmotique et entraîner redistribution du fluide et déformation de la matrice. Par ailleurs, les charges présentes dans la matrice extracellulaire peuvent générer des phénomènes électrocinétiques et favoriser un transport électro-osmotique sous l'effet de gradients électriques. Ces phénomènes sont particulièrement pertinents dans les tissus pathologiques dont l'architecture, la composition et les propriétés de transport sont modifiées.

Malgré leur importance, les couplages entre osmose, électrocinétique et poromécanique restent difficiles à caractériser expérimentalement. Le LAAS-CNRS a récemment développé PRESTO, une technologie de poroélastométrie microfluidique permettant de sonder simultanément écoulement et déformation dans des matériaux poroélastiques. Des résultats préliminaires montrent également son potentiel pour l'étude du transport osmotique dans des matrices à base de collagène.

La thèse vise à franchir une nouvelle étape en intégrant mesures mécaniques, contrôle électrique et électronique souple au sein d'une même plateforme expérimentale. The main objective is to develop an instrumented microphysiological platform capable of measuring and controlling coupled transport mechanisms in biomimetic tissue models.

The project will pursue four complementary objectives: (1) adapt the PRESTO technology to the quantitative investigation of osmotic transport in biological porous matrices; (2) determine under which conditions ionic gradients and/or electric fields generate measurable electro-osmotic contributions; (3) develop a new generation of devices integrating mechanical transducers and soft electronic sensors for real-time monitoring of deformation; and (4) combine mechanical measurements, electrical stimulation, and fluorescent tracer imaging to simultaneously quantify molecular transport, fluid flow, and deformation.

Ultimately, the project will aim to establish quantitative relationships between matrix properties, osmotic/electrical stimuli, and transport within tissue models. The project will follow a multidisciplinary experimental and technological approach.

The first phase will focus on characterizing osmotic transport in model matrices such as collagen and hydrogels. Controlled concentration gradients will be applied in PRESTO-derived devices to simultaneously measure fluid redistribution and matrix deformation.

In a second phase, architectures enabling the controlled application of electric fields and the measurement of electrokinetic responses will be integrated. The influence of ionic composition, matrix properties, and electrical parameters will be investigated to identify and quantify electro-osmotic contributions.

In parallel, a new generation of devices will be designed using deformable membranes as mechanical transducers. Soft strain sensors will be integrated onto these membranes in collaboration with the Matsuhisa Laboratory at The University of Tokyo.

Finally, fluorescence imaging, deformation measurements, and electrical stimulation will be combined to investigate the transport of molecular tracers within the matrices. Experimental data will be analyzed using coupled transport models to establish relationships between stimuli, material properties, fluid flow, and deformation.