Thèse Interactions Mécano-Biologiques au Sein de Plis Vocaux 3D Architecturés et Biomimétiques pour Reproduire la Voix Vibrations et Réponse Cellulaire. Archivibracell H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Claude Bernard Lyon 1 École doctorale : EDISS - Interdisciplinaire Sciences-Santé Laboratoire de recherche : LBTI - LABORATOIRE DE BIOLOGIE TISSULAIRE ET D'INGENIERIE THERAPEUTIQUE Direction de la thèse : Jérôme SOHIER ORCID 0000000226965754 Début de la thèse : 2026-11-01 Date limite de candidature : 2026-10-30T23:59:59 Le projet ARCHIVIBRACELL vise à développer des structures fibreuses architecturées et biocompatibles, capables de reproduire les propriétés biomécaniques et vibratoires des plis vocaux, ce qui constitue un défi scientifique et clinique actuel pour restaurer la phonation. Dans la continuité de l'ANR MicroVoice (2018-22), il repose sur une collaboration étroite entre trois unités CNRS complémentaires : le LBTI (biomatériaux et biologie cellulaire), le 3SR (mécanique multiéchelles des matériaux) et le GIPSA-lab (modélisation de la voix humaine). Le projet formulera des structures biomimétiques composites 3D multicouches stimulables et étudiera leurs propriétés mécano-vibratoires ainsi que l'impact vibratoire conféré par des cellules humaines. Ce travail permettra de corréler propriétés structurales, réponses cellulaires et production sonore, dans des conditions biomécaniques réalistes. Il contribuera à une meilleure compréhension des mécanismes de la phonation et à l'élaboration de solutions thérapeutiques innovantes à moyen terme. Limitations des substituts mimétiques actuels - Compte tenu des difficultés d'investigation du tissu natif (petites dimensions, accès difficile par techniques usuelles d'imagerie médicale du fait des cartilages laryngés), le cahier des charges du substitut mimétique idéal est également difficile à établir. Les différentes approches développées ces dernières décennies pour étudier la phonation in vitro à partir de plis vocaux synthétiques ont abouti à des répliques déformables capables de générer des vibrations auto-entretenues en interaction fluide/structure [8-12]. Cependant, ces répliques sont majoritairement fabriquées à partir d'élastomères homogènes aux propriétés matériaux (quasi-)linéaires et isotropes, ie des microstructures et des propriétés mécaniques macroscopiques très éloignées de celles des tissus d'origine. Une fois soumises à une pression d'air, ces répliques produisent des patterns vibratoires encore bien différents de ceux générés par les plis vocaux en phonation [13-15].
L'optimisation progressive des matériaux modèles artificiels a récemment ouvert la voie à l'élaboration de nouveaux matériaux hybrides pour la bioingénierie tissulaire : des « scaffolds » destinés à la culture cellulaire et à la synthèse in vitro de la matrice extracellulaire du pli vocal [15]. Néanmoins, le chargement vibratoire spécifique appliqué aux biomatériaux ainsi conçus induit leur dégradation par fragmentation, montrant le besoin de scaffolds plus résistants, capables de supporter les chargements physiologiques endurés par le tissu natif in vivo [15].

Avancées et réalisations du consortium - Afin de progresser dans ce défi, les laboratoires 3SR, GIPSA-lab (Grenoble) et LBTI (Lyon) ont réuni leurs domaines d'expertise dans le cadre de l'ANR MicroVoice (2018-22) pour: (i) caractériser la micro-architecture 3D du pli vocal humain et son comportement biomécanique ex vivo sous des conditions multiaxiales pertinentes [16,17]; (ii) concevoir des biomatériaux ajustables (hydrogels DGL/PEG biocompatibles et élastomères composites architecturés) capables d'imiter la microstructure fibreuse spécifique du pli et de reproduire son comportement mécanique [18]; (iii) optimiser la formulation chimique et l'architecture fibreuse de ces matériaux pour qu'ils se comportent comme les tissus vocaux lors des mouvements complexes qui surviennent pendant la phonation [19]; (iv) étudier ces prototypes modèles dans des conditions aéro-acoustiques proches de la réalité, grâce à un banc d'essai in vitro simulant la vibration des plis vocaux en interaction avec un flux d'air pulmonaire [20].

Les performances vibratoires des prototypes modèles se sont d'abord portées sur des structures sans renfort de fibres. Les résultats ont montré des patterns vibratoires très encourageants pour les hydrogels, capables d'osciller à basses fréquences à des pressions d'air sous-glottique proches de la réalité physiologique, entre 500 et 1.5 kPa (Figure II. A). Ces travaux ont permis de mettre en évidence l'impact des propriétés matériaux (propriétés mécaniques volumiques et propriétés d'adhésion surfacique) et de la pré-déformation de plis artificiels sur leurs vibrations entretenues par interaction fluide/structure, et sur leurs corrélats aéro-acoustiques (fréquence fondamentale de vibration, intensité sonore, pression sous-glottique Ps). A ce jour néanmoins, seuls de premiers prototypes 3D composites très simplifiés (composites monocouches, avec un unique réseau de fibres inséré dans une matrice hydrogel élastomère) ont pu être étudiés sur le simulateur in vitro de phonation. Les résultats pilotes obtenus sont très prometteurs [21] et constituent la preuve de concept de notre approche composite pour reproduire les propriétés vibratoires du pli vocal humain. Les résultats obtenus par notre approche pluridisciplinaire constituent une avancée notable en direction de la reproduction de la phonation. Néanmoins, la complexité structurelle des plis vocaux, leurs capacités dynamiques d'adaptation ainsi que l'importance de leur composante cellulaire doivent être prises en compte afin de mieux comprendre leurs rôles respectifs dans la phonation ; et ainsi pouvoir reproduire cette capacité dans une approche implantable translationnelle à moyen terme.
C'est pourquoi le LBTI, 3SR et GIPSA-lab souhaitent continuer à construire sur cette base collaborative et scientifique solide, en amenant ces structures composites vibratoires vers un biomimétisme structurel et mécano-vibratoire réaliste, et en confirmant leur potentiel biologique.
Ainsi, les objectifs multiples de ce projet interdisciplinaire consisteront en :
(1) formuler des hydrogels 3D proches de la réalité histo-morphologique, mimant la mésostructure multicouches des plis vocaux et leur microstructure fibreuse architecturée grâce au savoir-faire acquis lors de l'ANR MicroVoice ;
(2) étudier leurs propriétés mécano-vibratoires en lien avec les performances aéro-acoustiques résultantes ;
(3) explorer la cellularisation et l'épithélialisation externe de ces structures, et les interactions entre réponses cellulaires sous chargement vibratoire et son produit. Tâche 1 : Design de composites 3D architecturés [LBTI & 3SR] (M0-M18)
Cette étape visera à formuler des structures multicouches 3D plus proches de la structure interne des plis vocaux humains en superposant des couches d'hydrogels DGL/PEG fibreux composites de propriétés mécaniques différentes. La composante élastique des composites résultants sera renforcée par l'incorporation d'une protéine recombinante élastique issue des travaux du Dr. Debret [22]. Elle s'appuiera sur la base des travaux menés dans [18] d'une part, et sur des moules pour réaliser des structures bicouches 100% élastomères issus de la thèse d'H. Yousefi-Mashouf (2018-22).
Les structures multicouches produites seront caractérisées quant à leur structures (ratio massique et volumique hydrogel/fibre, orientations fibrillaires privilégiées, degré d'anisotropie) et mécanique en déformations cycliques (traction, compression, cisaillement, chargements type DMA).
La possibilité d'ajout de matériaux « intelligents » au sein des plis vocaux biomimétiques sera également explorée afin qu'ils puissent se déformer de manière contrôlée en réponse à des stimulations externes. Par exemple, l'incorporation localisée de particules magnétiques est réalisable par ajout direct au sein des hydrogels avant leur réticulation. Ceci permettra de reproduire l'effet actif du muscle vocal qui régule la tension et le volume des plis vocaux en phonation, et ainsi module le son produit. Ces modifications exploratoires seront évaluées quant à la capacité de déformer les hydrogels composites par application d'un champs magnétique externe.
Tâche 2 : Caractérisation mécano-vibratoire des structures composites [3SR & GIPSA-lab] (M6-M18)
- Dans un premier temps, chaque structure développée à la tâche 1 sera analysée en termes de caractéristiques dynamiques propres sans interaction fluide/structure: fréquences propres, modes propres et amortissement modal. Les signaux d'excitation seront fournis à l'aide d'un pot vibrant [23,24], et les déplacements de l'échantillon seront enregistrés à l'aide d'une installation stéréo-DIC à grande vitesse (corrélation d'images numériques) au 3SR. Ces mesures seront complétées au besoin par des essais de vibrométrie laser grâce aux équipements disponibles au GIPSA-lab. Des simulations numériques seront menées en parallèle pour prédire la réponse en fréquence des structures 3D d'intérêt (Comsol Multiphysics, 3SR).
- Dans un second temps, les structures seront évaluées sur le banc d'essai développé à GIPSA-lab, permettant de reproduire le contrôle aérodynamique et articulatoire de la phonation in vitro. L'auto-oscillation de ces matériaux par interaction fluide/structure sera caractérisée par des mesures aérodynamiques (débit et pression sous-glottique) et acoustiques (fréquence fondamentale du cycle glottique, intensité sonore), en s'appuyant sur les protocoles d'études in vitro antérieures [20,21]. Les mouvements vibratoires seront filmés à haute vitesse par cinématographie ultra-rapide (via les caméras rapides du GIPSA-lab et du 3SR), ce qui permettra des analyses 3D surfaciques des amplitudes de vibration par stéréo-DIC.
Dans ces deux étapes, l'impact des paramètres de microstructure (nature, topologie) des hydrogels sur leurs propriétés mécano-vibratoires sera étudié. Les effets non-linéaires attendus, tels que la dépendance des fréquences de résonance avec l'amplitude de l'excitation, seront caractérisés en détail. Enfin, l'ensemble des données expérimentales obtenues sera confronté aux bases de données déjà constituées sur les structures monocouches homogènes [20], et sur le comportement dynamique du pli vocal humain de la littérature.
Tâche 3 : Interactions cellules / structures vibrantes [LBTI & 3SR & GIPSA-lab] (M18-M24)
Cette tâche visera à étudier et moduler l'épithélialisation externe des structures 3D biomimétiques avec des cellules humaines, pour déterminer l'impact cellulaire sur la production sonore d'une part, et l'effet de collisions périodiques lors de la vibration sur la réponse cellulaire d'autre part - ie un domaine peu renseigné vis-à-vis des études portées sur ses fonctions de barrière protectrice aux agressions extérieures. Cette cellularisation sera rendue possible par les hydrogels DGL/PEG utilisés, qui possède une interaction native avec de nombreux types de cellules différenciées et qui permet la modulation du comportement et phénotype cellulaire [25-28].
Des cellules épithéliales primaires de trachée humaine (PCS-300-010) seront ensemencées à la surface des hydrogels composites auto-oscillants les plus biomimétiques définis en tâches 1 et 2, et cultivées à l'interface air/liquide afin d'obtenir la formation d'un épithélium stratifié. La viabilité et la prolifération cellulaire seront évalués (live/dead et Alamar blue) ainsi que la stratification (histologie classique, HES) et le phénotype cellulaire (immunomarquage E-Cadherin, laminin-alpha 5, cytokeratin 4, 13 et 14) au cours et au terme de la culture. Nous répéterons sur ces modèles auto-oscillants et épithélialisés une série d'essais, en couplant aux outils développés en vibro-mécanique à la tâche 2, les outils de biologie cellulaire précédent pour déterminer l'impact de l'épithélium sur le comportement mécano-vibratoire, ainsi que pour caractériser le comportement de l'épithélium à ces chargements extrêmes.

- Formulation ou à minima utilisation d'hydrogels et/ou matériaux composites
- Caractérisation mécanique et vibromécanique des matériaux très déformables (essais mécaniques, mesure de champs cinématiques, ...)
- Maitrise des outils d'analyse de données type Matlab, langage Python
- Connaissances en culture et caractérisation cellulaire (immunomarquage, microscopie, analyse d'image), et/ou en acoustique, en fabrication additive, et/ou en simulation numérique pour prédire la réponse en fréquence des structures 3D d'intérêt (Comsol Multiphysics).

• COMSOL Multiphysics
• Python
• Analyse de données
• MATLAB
• Chimie