Understanding the niche interactions between blood and bone through the in vitro co-culture of osteo-competent cells and endothelial cells is a key factor in unraveling therapeutic potentials in bone regeneration. This can be additionally supported by employing numerical simulation techniques to assess local physical factors, such as oxygen concentration, and mechanical stimuli, such as shear stress, that can mediate cellular communication. In this study, we developed a Mesenchymal Stem Cell line (MSC) and a Human Umbilical Vein Endothelial Cell line (HUVEC), which were co-cultured under flow conditions in a three-dimensional, porous, natural pullulan/dextran scaffold that was supplemented with hydroxyapatite crystals that allowed for the spontaneous formation of spheroids. After 2 weeks, their viability was higher under the dynamic conditions (>94%) than the static conditions (<75%), with dead cells central in the spheroids. Mineralization and collagen IV production increased under the dynamic conditions, correlating with osteogenesis and vasculogenesis. The endothelial cells clustered at the spheroidal core by day 7. Proliferation doubled in the dynamic conditions, especially at the scaffold peripheries. Lattice Boltzmann simulations showed negligible wall shear stress in the hydrogel pores but highlighted highly oxygenated zones coinciding with cell proliferation. A strong oxygen gradient likely influenced endothelial migration and cell distribution. Hypoxia was minimal, explaining high viability and spheroid maturation in the dynamic conditions.

L'ingénierie tissulaire osseuse développe une approche pluridisciplinaire visant à produire, à partir de biomatériaux et de cellules humaines en culture, des substituts pour la réparation de grandes pertes osseuses. L'une des stratégies consiste à produire les substituts osseux à partir de structures cellulaires 3D appelées sphéroïdes. Les sphéroïdes, immobilisés au sein d'un biomatériau poreux (ou matrice), sont ici cultivés dans un bioréacteur à perfusion qui permet de les stimuler mécaniquement et d'améliorer le transport des nutriments et l'élimination des déchets. Cette thèse porte sur la modélisation multiphysique et multiéchelle du bioréacteur afin de caractériser le microenvironnement perçu par les sphéroïdes et le relier à leur comportement observé expérimentalement. Le biomatériau poreux est un hydrogel de polysaccharide supplémenté de microparticules d'hydroxyapatite et texturé par lyophilisation. Les sphéroïdes sont constitués de deux types cellulaires, des cellules souches mésenchymateuses et des cellules endothéliales.Dans un premier temps, nous étudions la formation spontanée des sphéroïdes au sein des pores du biomatériau. Les matrices sont analysées à l'état sec par microtomographie X, puis à l'état hydraté ou ensemencé par microscopie confocale (time lapse) et par tomographie en cohérence optique (OCT). Cette triple caractérisation permet d'identifier les étapes associées à la formation et à la maturation des sphéroïdes, et de relier la taille et la morphologie des sphéroïdes à celles des pores de la matrice.Parallèlement, l'incorporation des microparticules d'hydroxyapatite au sein de l'hydrogel est évaluée par des méthodes de caractérisation chimique et les propriétés mécaniques du composite obtenu sont analysées par rhéométrie oscillatoire. Ces analyses sont couplées à des mesures biologiques d'activité ostéogénique lors de la culture pour confirmer le caractère ostéoinducteur des matrices et mieux comprendre son origine physique. Dans un second temps, des matrices constituées du même matériau sont ensemencées, puis empilées et cultivées dans un bioréacteur à perfusion. Deux modèles sont développés pour décrire l'environnement mécanique et biochimique des sphéroïdes, le premier associé à l'échelle microscopique des pores des matrices, le second à l'échelle macroscopique du bioréacteur.Le modèle microscopique décrit l'écoulement et le transport d'espèces dans une portion de matrice dont la microgéométrie est obtenue par OCT. Les équations de Navier-Stokes et de convection-diffusion sont résolues numériquement par des méthodes de Boltzmann sur réseau. Le métabolisme cellulaire est décrit par un modèle de glycolyse aérobie. Les simulations indiquent que l'environnement chimique péricellulaire est physiologique : les concentrations en glucose et en oxygène dissous sont significativement plus élevées que les constantes de Michaelis-Menten correspondantes, et le pH péricellulaire se situe entre 6,9 et 7,5.Le modèle macroscopique décrit le transport d'espèces au sein du bioréacteur dans son ensemble. Les équations, obtenues par prise de moyenne volumique, sont résolues numériquement par la méthode des volumes finis. Le modèle est entre autres utilisé pour identifier les paramètres cinétiques de consommation de glucose des cellules à partir des variations de concentration au sein du réservoir d'alimentation du bioréacteur.Cette thèse apporte des clés pour comprendre et contrôler la formation de sphéroïdes au sein d'un hydrogel poreux et leur maturation au sein d'un bioréacteur à perfusion.