Circulation du sang dans des architectures microfluidiques : comportements collectifs de particules déformables en écoulement confiné

La dynamique et la rheologie d'une suspension 2D confinee de vesicules (un modele de RBCs (globules rouges) ) sont etudiees numeriquement en utilisant une methode de Boltzmann sur reseau frontiere immergee. Nous analysons d'abord les situations dans lesquelles les vesicules effectuent le mouvement de chenille de char. Des paires de vesicules se placent dans un etat d'equilibre avec une distance relative constante et regulee par le confinement. La distance d'equilibre augmente avec l'intervalle entre les parois suivant une relation lineaire. Cependant, aucune distance d'equilibre stable entre deux vesicules en mouvement de tumbling n’est observee. La presence ou l'absence d'une distance d'equilibre entre deux vesicules dicte l'organisation spatio-temporelle de la suspension. L’organisation de la suspension s’accompagne d’assez amples oscillations de la viscosite normalisee variant en fonction de la concentration, tandis que la viscosite effective ne varie pas.Les interactions dans la direction verticale par rapport au plan de cisaillement sont analysees par des simulations en 3D de capsules et des experiences. Nous montrons que dans une suspension confinee de sang, les RBCs s’organisent spontanement en une structure cristalline sous le seul effet de l'interaction hydrodynamique. Il est en outre demontre que lorsque les RBCs sont remplaces par des particules rigides, l'ordre disparait pour laisser place au desordre. Differents ordres cristallins peuvent apparaitre selon la concentration et le confinement. La distance intercellulaire de la structure cristalline est une fonction lineaire du confinement. L’ordre apparait comme une interaction subtile entre la force de portance qui pousse les RBCs des murs vers le centre et l'interaction hydrodynamique dans la verticale du plan d'ecoulement de cisaillement. Cette etude introduit un nouveau paradigme dans le domaine des suspensions non-colloidales diluees ou la prevalence des desordres etait mise a jour la regle.La repartition des RBCs au niveau d’une bifurcation est abordee dans nos simulations sur ordinateur ainsi que dans des experiences in vitro. Ces etudes revelent que la repartition de RBCs depend fortement du contraste de viscosite entre la viscosite de l'hemoglobine du RBC et le fluide suspendant, tant que l'hematocrite est inferieure a 20%. Pour des dilutions importantes, nos resultats montrent un nouveau phenomene : la branche de faible debit peut recevoir une concentration plus eleve que la branche de haut debit, en opposition a l'effet Zweifach-Fung. Ce phenomene est observe sous confinement modere et est le resultat d'une structuration particuliere de la suspension cellulaire. Nos resultats suggerent que les differentes proprietes des RBCs doivent etre prises en compte et soigneusement analysees afin d'avoir une bonne comprehension de la distribution de RBCs dans la microcirculation et donc de la livraison de l'oxygene dans la microcirculation en general.Enfin, nous realisons des simulations numeriques d'une grande quantite de RBCs, circulant dans un reseau qui est structure selon un motif en nid d'abeilles. Nos resultats montrent que tant que l'hematocrite est inferieure a 20%, les RBCs dont la membrane est plus rigide presentent un deplacement lateral plus important dans le reseau. En plus, nous decouvrons une difference par rapport a la circulation de RBCs dans un tube droit ou le debit pour des globules rigides est plus petit. Au contraire, un debit plus important est observe pour les RBCs plus rigides dans le reseau. Enfin, nous presentons la manifestation d'une diffusion longitudinale plus rapide d’une suspension dense de RBCs de faible deformabilite dans le reseau. Nos resultats fournissent des informations interessantes sur la livraison de RBCs dans le reseau, ce qui pourrait etre important non seulement sur la comprehension de la perfusion du sang et le transit de RBC dans la microcirculation, mais aussi sur des applications pratiques.