Lubrification molle: une couche mince de polymères qui fait planer
Publié par Isabelle le 23/09/2018 à 12:00
Source: CNRS-INP
Des chercheurs ont mis en évidence l'influence de la déformation d'une paroi molle sur la trajectoire d'objets microscopiques dans un fluide. Cet effet pourrait contribuer à expliquer comment les globules rouges se répartissent dans les petits vaisseaux sanguins.


Schéma de la déformation de surface provoquant la portance élastohydrodynamique (à gauche). L'amplitude (Dans cette simple équation d’onde :) de cette portance, qui dépend de la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale...) de l'écoulement, est d'autant plus grande que la couche déformable est molle (à droite).

Contrairement aux situations d'écoulements à haute vitesse (On distingue :) pour lesquelles des forces de portance permettent par exemple aux avions de décoller, une microparticule sphérique se déplaçant lentement dans un fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette appellation les gaz qui sont l'exemple des fluides compressibles, et les liquides, qui sont des fluides peu compressibles. Dans certaines...) au voisinage (La notion de voisinage correspond à une approche axiomatique équivalente à celle de la topologie. La topologie traite plus naturellement les notions globales comme la continuité qui s'entend ici comme la continuité en tout point. En...) d'une surface n'est pas censée s'en éloigner... Sauf si la sphère (En mathématiques, et plus précisément en géométrie euclidienne, une sphère est une surface constituée de tous les points situés à une même distance d'un point appelé centre. La valeur de...) ou la surface sont suffisamment molles pour être déformées par la pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) dans le fluide. Ce couplage entre la déformation élastique d'objets immergés et des forces de pressions induites par un écoulement se nomme élastohydrodynamique. Il est au cœur de sujets variés en biophysique (La biophysique est une discipline à l'interface de la physique et la biologie où les outils d'observations des phénomènes physiques sont appliqués aux...), tels que la nage de microorganismes, les processus de biolubrification ayant lieu dans les articulations ou la circulation (La circulation routière (anglicisme: trafic routier) est le déplacement de véhicules automobiles sur une route.) sanguine.

Dans ce dernier exemple, il est déjà bien établi que la déformabilité des cellules sanguines joue (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les mâchoires. On appelle aussi joue le muscle qui sert principalement à ouvrir et fermer la bouche et à mastiquer.) sur leur répartition dans les vaisseaux: les globules blancs et les plaquettes, peu déformables, se répartissent au voisinage des parois tandis que les globules rouges, plus mous, s'en éloignent sous l'effet de forces élastohydrodynamiques répulsives. Jusqu'à présent, cependant, la déformabilité des parois elle-même n'avait jamais été prise en compte. Or, les cellules couvrant la surface intérieure des vaisseaux sanguins sont recouvertes d'une couche de biopolymères très molle (module élastique de 10-100 Pa) atteignant jusqu'à 1 micron d'épaisseur, appelée glycocalyx. En utilisant un modèle in vitro (In vitro (en latin : « dans le verre ») signifie un test en tube, ou, plus généralement, en dehors de l'organisme vivant ou de la cellule. Un exemple est la fécondation in vitro (FIV). À...) de circulation sanguine, des chercheurs du Laboratoire interdisciplinaire (Un travail interdisciplinaire intègre des concepts provenant de différentes disciplines.) de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens...) (LIPhy) et de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux États-Unis, au moment...) de Leeds (Royaume-Uni) ont montré que la présence d'une couche très mince de biopolymères décorant une surface plane (La plane est un outil pour le travail du bois. Elle est composée d'une lame semblable à celle d'un couteau, munie de deux poignées, à chaque extrémité de la lame. Elle permet le dégrossissage et le creusage de...) indéformable suffit à induire des forces élastohydrodynamiques répulsives qui font décoller des microsphères rigides.

Pour cela, les chercheurs ont décoré la surface d'un canal microfluidique (La microfluidique est la science et la technologie des systèmes manipulant des fluides et dont au moins l'une des dimensions caractéristiques est...) avec une brosse (Une brosse est un outil fait d'un assemblage de filaments plus ou moins souples fixés sur une monture. Elles peuvent avoir différents usages :) dont les poils sont composés de brins d'acide hyaluronique (L'acide hyaluronique (du grec hyalos = vitreux + uronique parce qu'il a d'abord été isolé de l'humeur vitrée et qu'il possède un haut taux d'acide uronique) est un glycosaminoglycane réparti...), l'un des principaux composants du glycocalyx, et ils ont étudié optiquement le mouvement en trois dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son...) de microbilles entrainées par un écoulement contrôlé au voisinage de cette couche de biopolymères. En l'absence de brosse, les billes, modélisant des cellules sanguines non déformables, restent plaquées par la gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) sur la paroi rigide. Au contraire, la présence d'une brosse déformable suffit à induire des forces élastohydrodynamiques répulsives qui font décoller des microsphères rigides, et cet effet de portance est directement contrôlé par l'élasticité de la couche de polymère. Les données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) expérimentales sont en très bon accord avec les prédictions théoriques existantes, ce qui a permis de valider quantitativement le cadre théorique de la “lubrification molle”.

Ce travail met en relief (Le relief est la différence de hauteur entre deux points. Néanmoins, ce mot est souvent employé pour caractériser la forme de la surface de la Terre.) l'importance des interactions élastohydrodynamiques dans le contexte (Le contexte d'un évènement inclut les circonstances et conditions qui l'entourent; le contexte d'un mot, d'une phrase ou d'un texte inclut les mots qui l'entourent. Le concept de contexte issu traditionnellement de l'analyse...) de la circulation sanguine et révèle un nouveau rôle du glycocalyx dans la régulation (Le terme de régulation renvoie dans son sens concret à une discipline technique, qui se rattache au plan scientifique à l'automatique.) des interactions entre cellules sanguines et parois vasculaires.

Référence publication:
Elastohydrodynamic lift at a soft wall
H. S. Davies, D. Débarre, N. El Amri, C. Verdier, R. P. Richter et L. Bureau
Physical Review Letters (2018), doi: 10.1103/PhysRevLett.120.198001
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Contact chercheur:
- Lionel Bureau, chercheur CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).)

Informations complémentaires:
- Laboratoire interdisciplinaire de physique (LIPhy, CNRS/Univ. Grenoble Alpes)
- Université de Leeds (Royaume-Uni)
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