Thèse Impression 3D d'Hydrogels Multiphasiques Thermodynamiquement Stables H/F - 75

Établissement : ESPCI Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de la ville de Paris (PSL)
École doctorale : Physique et Chimie des Matériaux
Laboratoire de recherche : Sciences et Ingénierie de la Matière Molle
Direction de la thèse : Tetsuharu NARITA ORCID 0000000220611357
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-04-15T23:59:59Le développement rapide de la chirurgie assistée par robot nécessite des modèles d'entraînement (maquettes d'organes) très réalistes pour les chirurgiens. Actuellement, la plupart des modèles sont en silicone, un matériau qui manque d'échogénicité (il ne se comporte pas comme un vrai tissu sous ultrasons), ce qui les rend inadaptés à l'entraînement aux chirurgies modernes guidées par ultrasons. Les hydrogels, composés majoritairement d'eau, sont d'excellents candidats car ils imitent fidèlement les propriétés physiques et acoustiques des tissus mous humains. Cependant, les organes réels ne sont pas mécaniquement uniformes. Par exemple, un foie sain est très mou (module élastique de quelques kPa), mais une tumeur à l'intérieur peut être jusqu'à 10 fois plus rigide. Pour créer des modèles d'entraînement tout-hydrogel utiles, nous devons imprimer en 3D des hydrogels complexes et multiphasiques où les régions molles et rigides sont parfaitement intégrées.
Bien que l'impression 3D soit largement utilisée, l'impression d'hydrogels multiphasiques se heurte à un obstacle physico-chimique fondamental, souvent ignoré : l'instabilité thermodynamique à l'interface. Lors de l'impression d'un gel mou à côté d'un gel rigide, ceux-ci présentent naturellement des états de gonflement à l'équilibre différents. Cela crée un gradient de potentiel chimique, entraînant la migration de l'eau d'un gel à l'autre à travers l'interface. En conséquence, une phase gonfle tandis que l'autre se rétracte, entraînant une déformation spontanée, des contraintes internes et, à terme, la rupture mécanique de la structure imprimée. Pour construire des modèles d'organes stables, nous devons résoudre ce problème de physico-chimie : comment imprimer des phases de gel adjacentes ayant des propriétés mécaniques très différentes, mais une activité de l'eau identique ?
Au cours de cette thèse, le/la candidat(e) relèvera ce défi en passant d'une simple impression 3D structurelle à une conception de matériaux guidée par la thermodynamique. Ce projet sera hautement interdisciplinaire, combinant la science des polymères, la rhéologie et la fabrication avancée :
Formulation d'encres et rhéologie : Le/la candidat(e) développera de nouvelles encres hydrogels à base d'alcool polyvinylique (PVA). L'imprimabilité et la capacité de réticulation des encres seront ingéniérées et optimisées.
Conception thermodynamique des hydrogels : Le/la candidat(e) établira des diagrammes de phases pour contrôler indépendamment la concentration en polymère et la densité de réticulation. L'objectif est d'identifier les conditions physico-chimiques précises où deux gels présentent une différence de rigidité d'un facteur 10 tout en partageant exactement la même concentration de gonflement à l'équilibre.
Impression 3D et évaluation mécanique : Des hydrogels biphasiques (comprenant une phase molle et une phase dure) de géométries simples seront imprimés en 3D pour évaluer rigoureusement le comportement mécanique de ces interfaces, incluant des essais de traction standard, des découpes au scalpel personnalisées et des tests de ponction à l'aiguille.

Afin de répondre aux besoins de la chirurgie moderne guidée par ultrasons, il est nécessaire de développer des fantômes d'organes échogènes. Les hydrogels sont d'excellents candidats pour remplacer les silicones actuels, car ils imitent fidèlement les tissus mous humains. L'enjeu scientifique est de parvenir à imprimer en 3D des hydrogels complexes et multiphasiques permettant d'intégrer des régions aux propriétés mécaniques distinctes (ex: tissus sains et tumeurs).