3D integrated multifunctional MRI sensor based on Plastronic technology in tissue engineering
Capteur IRM 3D multifonctionnel plastronique pour l’ingénierie tissulaire
Résumé
Over the last two decades, the comparison between 2D and 3D cell culture has shown that the latter is the cell culture method that most closely reproduces the in vivo physiological environment. 3D cell culture has therefore rapidly become an established part of biology research. From the point of view of characterisation, the generalisation of 3D cell culture poses new challenges. In fact, the optical modality, commonly used in 2D cell culture, does not allow the characterisation of thick soft tissues in 3D due to its poor penetration depth. This problem extends to ex vivo soft tissues of animal models, so an equivalent to optical imaging but applicable to thick opaque 3D soft tissues is required. MRI has emerged as the modality of choice for such 3D characterisations due to its non-invasive, non-ionising, multi-scale and multi-parameter characterisations. MRI is a commonly used clinical modality but suffers from a high degree of complexity that reserves it for experienced users. In addition, clinical MRI devices are unsuitable for 3D characterisation of thick, live soft tissue soft tissues kept alive. In addition, the dimensions of the structures of interest in 3D cell culture or in small animal models motivate 3D characterisations with spatial resolutions of the order of a few hundreds of μm. The design of a device allowing 3D MRI characterisation of soft tissues in vitro/ex vivo kept alive at resolutions below a hundred μm would therefore constitute an important step in the development of cell culture. To achieve this, the use of an innovative manufacturing method called "3D Plastronics" is favoured. "3D Plastronics" allows the integration of 'electronic' functions into the 3D surface of an object. The 3D Plastronics method allows the integration of electronic functions into the 3D surface of a shaped polymer. This fabrication method also allows the integration of functions in the volume of the polymer, thus allowing the creation of functional sensors with complex shapes adaptable to several types of applications. The aim of this thesis is to illustrate the possibilities offered by 3D plastronics for the design and realisation of a 3D MRI characterisation device combining live tissue conditioning and an integrated MRI antenna dedicated to MRI microscopy. This device is called an "MRI enclosure". The first step was to evaluate the performance of the MRI enclosure in comparison with devices produced by conventional manufacturing methods. In terms of noise figure, the 3D plastronic MRI antenna is comparable to FR-4 substrate antennas. The integration of the MRI antenna within the MRI enclosure shows a degradation of the noise figure by a few dozen percents. This integration therefore constitutes a work axis for the optimisation of the performance of the MRI enclosure. In the second part of the study, the bench-top characterisations showed an improvement in the signal-to-noise ratio of up to a factor of 10 compared to commercial experimental devices allowing the same type of characterisations. In addition, the integration of additional functions such as a mechanical actuator for elastography and a fluidic circuit for the supply of nutrients necessary for 3D cell culture is studied in this thesis. Finally, the application of the MRI enclosure as a tool for 3D morphological characterisation of a chicken embryo is presented. In addition, the monitoring of the development of a tumour model through the measurement of the apparent diffusion coefficient is also presented.
Au cours des deux dernières décennies, la comparaison entre culture cellulaire 2D et 3D a montré que cette dernière est la méthode de culture cellulaire reproduisant le plus fidèlement l'environnement physiologique in vivo. La culture cellulaire 3D s'est donc rapidement imposée dans la recherche en biologie. Du point de vue de la caractérisation, la généralisation de la culture cellulaire 3D pose de nouveaux défis. En effet, la modalité optique, couramment utilisée en culture cellulaire 2D, ne permet pas de caractériser en 3D les tissus mous épais et opaques à cause de la faible profondeur de pénétration. Ce problème de caractérisation s'étend aux tissus mous ex vivo de modèles animaux. Il faut donc trouver un équivalent à l'imagerie optique mais applicable aux tissus mous épais opaques en 3D. L'IRM s'impose comme une modalité de choix pour ces caractérisations 3D de par ses qualités non-invasive, non-ionisante, ses caractérisations multi-échelles et multi-paramétriques. L'IRM est une modalité couramment utilisée en clinique mais qui souffre d'une grande complexité qui la réserve aux utilisateurs expérimentés. De plus, les dispositifs IRM cliniques sont inadaptés à la caractérisation 3D de tissus mous épais maintenus vivants. Enfin, les dimensions des structures d'intérêt en culture cellulaire 3D ou chez les petits modèles animaux motivent des caractérisations 3D aux résolutions spatiales de l'ordre de la centaine de μm. La conception d'un dispositif permettant une caractérisation 3D IRM de tissus mous in vitro/ex vivo maintenus vivants à des résolutions inférieures à la centaine de μm constituerait donc une étape importante du développement de la culture cellulaire 3D et de la recherche en biologie plus générale. Pour y parvenir, l'utilisation d'une méthode de fabrication innovante appelée "Plastronique 3D" est favorisée. La "Plastronique 3D" permet l'intégration de fonctions électroniques à la surface 3D d'un polymère mis en forme. Cette méthode de fabrication permet aussi l'intégration de fonctions dans le volume du polymère, permettant ainsi la création de capteurs fonctionnels aux formes complexes adaptables à plusieurs types d'applications. L'objectif de cette thèse est donc d'illustrer les possibilités offertes par la plastronique 3D pour la conception et la réalisation d'un dispositif de caractérisation IRM 3D combinant un conditionnement de tissus maintenus vivants et une antenne IRM intégrée dédiée à la microscopie IRM. Ce dispositif est appelée "Enceinte IRM". Dans un premier temps, les caractérisations par simulation numérique et sur banc ont permis d'évaluer les performances de l'enceinte IRM par rapport aux dispositifs réalisés par des méthodes de fabrication conventionnelles. En terme de figure de bruit, l'antenne IRM plastronique 3D est comparable aux antennes sur substrat FR-4. L'intégration de l'antenne IRM au sein de l'enceinte montre une dégradation de la figure de bruit de l'ordre de plusieurs dizaines de pourcents. Cette intégration constitue donc un axe de travail pour l'optimisation des performances de l'enceinte IRM. Dans un second temps, les caractérisations sur banc ont permis de mettre en évidence une amélioration du rapport signal-sur-bruit allant jusqu'à un facteur 10 par rapport aux dispositifs expérimentaux commerciaux permettant le même type de caractérisations. De plus, l'intégration de fonctions supplémentaires comme l'intégration d'un actionneur mécanique pour l'élastographie ainsi qu'un circuit fluidique d'apport des nutriments nécessaires à la culture cellulaire 3D est étudiée dans ce travail de thèse. Enfin, l'application de l'enceinte IRM comme outil de caractérisation morphologique microscopique 3D d'un embryon de poulet est présentée. En outre le suivi du développement d'un modèle tumoral à travers la mesure du coefficient apparent de diffusion est aussi présenté.
Origine : Version validée par le jury (STAR)