Quand le système lymphatique inspire un nouveau mécanisme de transports de fluides
Dans une récente étude publiée dans PNAS, des scientifiques ont mis en évidence un phénomène particulièrement contre-intuitif : les formes d'onde qui maximisent le transport peuvent se propager à l'inverse de la direction du flux. Ils ont ainsi démontré un nouveau mécanisme de transport de fluides, directement inspiré du système lymphatique. Contrairement aux systèmes fluides classiques qui reposent sur des mécanismes locaux comme des valves individuelles, leur approche permet un transport directionnel continu et à grande échelle.
La conversion d'excitations oscillatoires en un flux directionnel, un processus physique appelé rectification, est une caractéristique fondamentale de la brisure de symétrie en physique. Ce phénomène se manifeste à travers diverses disciplines, de la matière condensée jusqu'à la biologie et la mécanique des fluides, où il régit de manière remarquable des mécanismes de transport de fluides. Dans la plupart des cas, la rectification est attribuée à des non-linéarités localisées, telles que les diodes en électronique ou les valves en fluidique. Celles-ci imposent un biais directionnel de façon ponctuelle au sein du système. Des recherches récentes sur la matière condensée ont ouvert de nouvelles voies en étendant la rectification aux systèmes continus. Un tel mécanisme, appelé transport réciproque, permet un transport unidirectionnel particulièrement résilient, peu importe la nature de l’excitation dans le matériaux.
En biologie, certains réseaux vasculaires intègrent également une succession d'éléments non linéaires, brisant ainsi la symétrie d'inversion le long des canaux, afin de contraindre et réguler le transport directionnel des fluides. Ces systèmes vasculaires présentent souvent de riches dynamiques spatio-temporelles qui s'étendent au-delà d'une simple valve, suggérant que la combinaison de non-linéarités réparties et d'un forçage spatio-temporel peut créer une rectification collective, s'apparentant au transport non réciproque.
Ces recherches ont été menées par :
- Institut de recherche sur les phénomènes hors-équilibre (IRPHÉ, Aix-Marseille Université/CNRS)
- University of Pennsylvania (États-Unis)
Dans une récente étude, des scientifiques se sont inspirés du système vasculaire lymphatique, où des valvules réparties le long des vaisseaux et des contractions coordonnées assurent le transport du fluide interstitiel. À partir de modèles théoriques, ils démontrent comment des contractions appliquées à un vaisseau doté d'un grand nombre valvules génèrent un transport unidirectionnel. Ce flux demeure robuste quelles que soient la forme de l'onde, la longueur du dispositif ou la pression externe appliquée. Ils mettent également en évidence des régimes dans lesquels le transport non réciproque est paradoxalement amplifié par des excitations se propageant à l'encontre de l'écoulement. Enfin, ils créent un vaisseau artificiel reproduisant la géométrie lymphatique et démontrent, expérimentalement et théoriquement, que ce même comportement survient dans un tube souple contenant un ensemble fini, mais suffisamment dense, de feuillets. Ces résultats ouvrent de nouvelles perspectives pour les technologies fondées sur le transport unidirectionnel, avec des applications potentielles dans des domaines tels que la microfluidique, la robotique flexible et la récupération d'énergie.
© Justine Parmentier, IRPHÉ
Références
Unidirectional flow from continuous broken symmetries.
Aaron Winna, Justine Parmentier, Eleni Katiforia, and Martin Brandenbourger.
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 123 (38) e2611776123.
https://doi.org/10.1073/pnas.2611776123
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