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1 LMP - Laboratoire de mécanique physique

Abstract : The picosecond ultrasonics technique is well suited to generate and to probe acoustic waves of submicromic wavelength using ultrafast light pulses 100 fs. If the technique starts to be used for non-destructive testing in industry, for micrometric solid films microprocessor for example, very few applications concern liquids or soft media, despite its unique potential for acoustic measurements at very high acoustic frequencies up to ten GHz. This PhD study gives a first comprehensive overview of the applications of the picosecond ultrasonics technique for the study of a single biological cell, the thickness of which can be from around 100 nm to a few µm. Measurement accuracy is high enough for imaging a single cell and for evaluating its local physical properties. To understand the detected data, an analytical model is developed. This model is used too for the inverse model resolution. The acoustic generation is simulated solving the coupled equations of heat diffusion and of acoustic wave propagation. Optical detection is then studied solving the Maxwell equations where both thermal and acoustic phenomena perturb optical index of the media. For experiments, a biocompatible sample holder, leakproof and thermocontrolled, is built. In the same way, the optical experimental setup is adapted to allow a two color probing of the ultrafast photo-acoustic response in a single cell. Finally, a microscope combining cell fluorescence visualisation and the picosecond ultrasonic laser setup is developed. It allows to localize precisely the cell sub-components and to probe them by the picosecond ultrasonics technique. The demonstration of the technique for the single cell imaging and the evaluation of its accuracy is performed on vegetal cells. Then, a quantitative measurement of the viscoelastic properties of single osteoblast cells MC3T3-E1, adhering on a bone substitute material Ti6Al4V, is performed. RGD peptide and BMP-2 proteins effects on the cell osteoblast viscoelastic properties are quantified. This work is performed with a tissue or bone substitute engineering research team.

Résumé : L-acoustique picoseconde est une technique qui permet de générer et de détecter des ondes acoustiques de longueur d-onde submicrométrique par l-utilisation d-impulsions lumineuses ultrarapides 100 fs. Si la technique commence à être appliquée industriellement pour le contrôle non-destructif de films solides micrométriques, comme les microprocesseurs, très peu d-études concernent son application aux milieux liquides ou mous, malgré son potentiel unique pour les mesures acoustiques très hautes fréquences supérieur à la dizaine de GHz. Ce travail de thèse dresse un premier panorama d-applications possibles de la technique d-acoustique picoseconde pour l-étude d-une cellule biologique unique, dont l-épaisseur peut être d-une centaine de nanomètres à quelques micromètres. Les résolutions atteintes permettent des applications pour l-imagerie et la tomographie acoustique d-une cellule unique par la détermination locale de ses propriétés physiques. Un modèle de simulation analytique est développé pour aider à la compréhension des signaux détectés et pour la résolution du problème inverse. La génération acoustique est simulée en résolvant les équations couplées de diffusion de la chaleur et de la propagation acoustique. La détection optique est ensuite étudiée en résolvant l-équation de Maxwell où les phénomènes thermiques et acoustiques perturbent l-indice optique du matériau. Pour les besoins expérimentaux, une enceinte biologique, étanche et thermostatée, est conçue. De même, le montage laser est adapté pour permettre une détection bicolore de l-onde acoustique se propageant dans la cellule. Enfin, un microscope combinant la visualisation des cellules par épifluorescence au dispositif laser expérimental est développé. Ce dernier permet de localiser précisément les éléments subcellulaires de la cellule, pour ensuite les étudier par acoustique picoseconde. La démonstration du potentiel de la méthode pour l-imagerie cellulaire et l-évaluation de sa sensibilité est faite sur cellule végétale. Ensuite, une mesure quantitative des propriétés viscoélastiques de cellules ostéoblastes MC3T3-E1, adhérentes sur un matériau mimant une prothèse de titane, est réalisée. Puis, l-effet du peptide RGD et de la protéine BMP-2 sur les propriétés viscoélastiques de la cellule ostéoblaste est quantifié. Ce travail est réalisé en partenariat avec une équipe de recherche en bio-ingénierie et reconstruction tissulaire, l-U577.

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Keywords : picosecond ultrasonics in vitro biological cell femtosecond laser pump-probe experiments acoustic propagation in viscoelastic media optical detection of ultrafast phenomena Brillouin diffusion single cell biomechanics transparent thin film

Mots-clés : acoustique picoseconde cellule biologique in vitro laser femtoseconde expérience pompe-sonde propagation acoustique en milieu viscoélastique détection optique de phénomènes transitoires ultrarapides diffusion Brillouin mécanique de la cellule unique couche mince transparente





Autor: Mathieu Ducousso -

Fuente: https://hal.archives-ouvertes.fr/



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