Thèse Mécano-Sensibilité Cellulaire Multi-Échelle dans des Échafaudages Biomimétiques du Tissu Pulmonaire H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Grenoble Alpes École doctorale : PHYS - Physique Laboratoire de recherche : Laboratoire des Technologies de la Microélectronique Direction de la thèse : Alice NICOLAS ORCID 0000000317581174 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-05-13T23:59:59 Les cellules évoluent dans des matrices protéiques aux propriétés physico-chimiques variées (2D/3D, rigidité, rugosité, hydrophobie), influençant fortement leur comportement (différenciation, invasivité). Isoler l'impact de chaque paramètre reste un défi. Au LTM, nous concevons des architectures imitant la matrice extracellulaire par lithographie biphotonique, qui nous permet de découpler ces facteurs physiques (géométrie, rigidité, forces externes) et étudier leur effet individuel sur le comportement de cellules, notamment dans le contexte du tissu pulmonaire et de la fibrose pulmonaire idiopathique (FPI).
La FPI, maladie pulmonaire létale touchant 50/100 000 personnes, se caractérise par un dépôt excessif de matrice extracellulaire et une rigidification du tissu pulmonaire. Les modèles animaux actuels ne reproduisent pas fidèlement la pathologie humaine. Ce projet vise à concevoir des échafaudages 3D biomimétiques reproduisant l'architecture de ce tissu et les propriétés mécaniques multi-échelles du poumon (de quelques kPa à plusieurs MPa), intégrant des déformations cycliques mimant la respiration. L'objectif est alors d'étudier la sensibilité de fibroblastes pulmonaires humains aux différents stimuli mécaniques, rigidité multi-échelle et contraintes de déformation, suspectés de participer à la rigidification tissulaire via une boucle de rétroaction positive entre la sécretion matricielle accrue et la rigidification du tissu.
La fabrication de telles architectures nécessitera le développement de stratégies de lithographie biphotonique utilisant des résines élastomères pour contrôler indépendamment la géométrie et la rigidité des échafaudages. Ces résines seront chargées de nanoparticules magnétiques, dont il est attendu qu'elles impactent la photo-réaction. Un modèle lithographique compact, synthétisant l'impact des nanoparticules sur la photopolymérisation et les propriétés mécaniques résultantes, sera implémenté et fournira une base de données permettant d'anticiper les designs d'impression. L'application d'un champ magnétique externe permettra d'appliquer des déformations cycliques via un champ magnétique externe. Cells evolve within protein matrices exhibiting diverse physico-chemical properties (e.g. 2D or 3D environments, varying stiffness, roughness scales, hydrophilic or hydrophobic characteristics), all of which strongly influence cellular behaviour, including stem cell differentiation and cancer cell invasiveness [1-4]. Although widely studied, isolating the individual contributions of these parameters remains challenging, limiting mechanistic understanding. At LTM, we leverage microfabrication, particularly 3D printing via two-photon lithography, to decouple key physical factors such as matrix geometry, architectural rigidity, and external forces, and investigate their specific effects on cellular behaviour (Fig. 1A).
The project focuses on cellular responses to mechanical cues within 3D fibrous scaffolds in the context of idiopathic pulmonary fibrosis (IPF). IPF is a lethal, progressive lung disease affecting approximately 50 per 100,000 individuals worldwide [5], characterised by excessive extracellular matrix (ECM) deposition, progressive stiffening of the pulmonary parenchyma, and destruction of functional lung tissue. Its underlying mechanisms remain poorly understood, and current animal models fail to accurately reproduce human IPF [6]. In this context, engineered in vitro scaffolds mimicking key features of fibrotic lung tissue provide a promising platform to study the role of the physico-chemical microenvironment in disease progression. The project objective is to design artificial scaffolds reproducing lung micro-architecture. These 3D fibrous networks should exhibit lung-mimetic scale-dependent mechanical properties, ranging from a few kPa to several tens of kPa at the macroscale, and up to several MPa at the microscale depending on disease progression [7]. Breathing is to be mimicked through cyclic deformations (a few percent strain). These systems will be used to investigate lung fibroblast sensitivity to mechanical stimuli. Fibroblasts are indeed suspected to contribute to tissue stiffening through a feedback loop in which ECM stiffening promotes their activation and further ECM secretion. In this context, the PhD aims to develop two-photon lithography processes to design deformable fibrous scaffolds allowing individual cells to migrate and adopt a 3D morphology, while reproducing in vivo-like multi-scale mechanical properties [8]. These scaffolds will serve to study cellular responses to mechanical perturbations of the extracellular environment.
The project is structured around three objectives:
(i) develop lithographic strategies to fabricate stimulable 3D scaffolds, with independent control of geometry and stiffness
(ii) analyse cell responses to multi-scale stiffness
(iii) investigate the impact of physiological cyclic strain. Our previous work has enabled the fabrication of rigid fibrous scaffolds with controlled fibre and pore sizes (Fig. 1B), allowing the study of geometric cues on fibroblast behaviour (Fig. 1C,D) [9]. However, in IPF, fibroblasts also experience dynamic mechanical stresses from breathing. This project will therefore explore two-photon polymerisation of softer materials incorporating magnetic nanoparticles, enabling controlled deformation under an external magnetic field. A key component of the PhD will thus involve developing lithographic processes compatible with soft photoresists such as Ormoflex, either pure or loaded with cobalt-based magnetic nanoparticles. This requires addressing proximity effects during polymerisation, including light scattering and local heating induced by the metallic nanoparticles.
These developments will enable the fabrication of static scaffolds with decoupled micro- and macro-scale mechanical properties, achieved by embedding a compliant internal architecture within a stiffer external frame. These systems will be used to investigate the respective roles of micro- and macro-scale stiffness in fibroblast activation into myofibroblasts, a phenotype involved in IPF progression, as well as the relationship between stiffness and ECM production. In a second stage, nanoparticle-loaded scaffolds will be subjected to cyclic deformation (0-5% strain) induced by the controlled displacement of a magnet (0.1-2 Hz). Cellular responses, including adhesion, invasion, proliferation, and ECM secretion, will be quantified using two-photon microscopy (TIMC platform).

Le/la candidat.e sera titulaire d'un diplôme en physique, en ingénierie, en biophysique ou en bio-ingéniérie, et manifestera un vif intérêt pour la recherche interdisciplinaire. Une bonne connaissance des concepts fondamentaux de la biologie cellulaire constituerait un atout précieux. Tout au long de son doctorat, le/la candidat.e travaillera à la croisée de la biophysique, des micro et nanotechnologies et de la biologie, en abordant différents domaines tels que la mécanique, la lithographie optique, le magnétisme, l'analyse d'images et la biologie cellulaire.
Une rigueur expérimentale méticuleuse, ainsi que de solides compétences en communication écrite pour la tenue de cahiers de laboratoire et la rédaction de rapports annuels, sont indispensables. La capacité à collaborer efficacement avec les membres de l'équipe et les partenaires externes est également essentielle.