Projet ANR-12-BS04-0008 – Biolub : Biolubrification par les membranes de phospholipides
Programme : Blanc - SIMI 4 - Physique des milieux condensés et dilués (Blanc SIMI 4) 2012
Année de financement : 2012
Coordinateur du projet : Monsieur Jean-Paul RIEU (Laboratoire de physique de la matiere condensee et nanostructures)
Partenaires : Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures; Institut Lumière Matière; Institut Lumière Matière
Montant : 474728.0 euros
Date de début : 2012
Durée : 36 mois
Résumé : Les mécanismes à l’origine de la lubrification des cartilages articulaires qui conduisent à des coefficients de frottement très faibles malgré la rugosité du cartilage et malgré la complexité de la composition du liquide synovial, sont très mal compris. En utilisant un biotribomètre mimant le contact articulaire, deux des partenaires de ce projet (LPMCN et LaMCoS) ont montré que l’empilement de bicouches phospholipidiques est très probablement à l’origine de ces propriétés exceptionnelles. Des coefficients de frottement aussi faibles que ceux mesurés in-vivo ont été obtenus avec des surfaces couvertes de bicouches de DPPC à l’état gel. Ces coefficients sont plus grands en présence de rugosité ou de bicouches en phase fluide (DOPC), car celles ci ne résistent pas aux contraintes mécaniques et se dégradent.
L’objectif général du projet BioLub est de mieux comprendre le rôle lubrifiant des bicouches de lipides par des approches théoriques, numériques et expérimentales complémentaires. Le consortium est très pluridisciplinaire et associe des laboratoires issus de la matière condensée, de la matière molle, de la nano- et bio- physique (LPMCN), de la physique moléculaire (LASIM), des biomatériaux et de la tribologie (LaMCoS).
Sur un plan expérimental, des bicouches supportées seront utilisées et déposées sur différents types de substrats et en présence de différents milieux en vue de mieux comprendre le fonctionnement de l’articulation saine (influence de la phase des lipides et des ions) : substrats modèles plans, substrats rugueux, substrats séparés par une solution de vésicules contenant ou non des biopolymères. Un second biotribomètre sera développé au cours du projet pour réaliser ces expériences. Celles-ci seront complétées par des expériences à l'échelle moléculaire : FRAP (Fluorescence Recovery After PhotoBleaching) pour mesurer la fluidité des lipides dans les bicouches notamment en présence de rugosité, d’ions ou de biopolymères et AFM (Atomic Force Microscopy) en mode imagerie et spectroscopie de force pour mesurer la structure des bicouche notamment sur supports rugueux ou texturés.
La dynamique des membranes fluides dans la structure complexe des joints synoviaux est un problème intrinsèquement multi-échelle. Pour interpréter les résultats expérimentaux obtenus à différentes échelles une modélisation théorique est indispensable, mais celle-ci nécessite l'utilisation d'une hiérarchie de modèles allant de l'échelle moléculaire à l'échelle macroscopique. Les résultats expérimentaux permettront de calibrer les modèles. Essentiellement trois types de modèles seront utilisés dans ce projet. A petite échelle la dynamique moléculaire (tout-atomes) permettra d'étudier les propriétés des membranes elles-mêmes, leur structure, leurs transitions de phases ainsi que leurs propriétés de frottement pour divers lipides (DPPC, DMPC, DOPC). Mais ces approches atomiques sont restreintes à des échelles de longueur nanométriques c'est pourquoi des modèles de dynamique moléculaire "moyennés" seront utilisés pour décrire la dynamique à plus grande échelle, en particulier les écoulements hydrodynamiques. Une description continue à grande échelle sera utilisée également pour étudier les instabilités hydrodynamiques, et le comportement collectif de membranes ou de vésicules placées dans un écoulement, sur la base de modèles analytiques ou d'approches numériques telles que la méthode des intégrales de frontière. Chaque modèle bénéficiera des données obtenues à l'échelle inférieure, et une large variété de phénomènes tels que les transitions de phases, l'effet des fluctuations à l'équilibre ou hors équilibre, ou encore les déstabilisations et les changement topologiques pourront ainsi être étudiés et comparés aux résultats expérimentaux.