Understanding the complex behaviour of cells in 3D culture environments requires control and knowledge of the mechanical and chemical signals they are receiving. While naturally derived hydrogels are widely used in 3D culture studies, it can be difficult to decouple the various cell to extracellular matrix (ECM) signals for understanding their individual roles. Synthetic hydrogels have been designed to study individual elastic or viscoelastic properties, but they typically do not provide plastic ECM restructuring that can be seen in their naturally derived counterparts. As such, it is not well known how plastic deformation behaviour of the ECM plays a role in 3D cell cultures as there has yet to be a platform engineered specifically for exploring this mechanical property. Packed granular hydrogels have recently become of interest for their unique characteristics, such as their self-healing and shear-thinning behaviour, providing the basis for development of new 3D culture platforms. This work presents a packed granular polyacrylamide hydrogel functionalized with guest-host chemistry, providing reversible interlinking between individual granules, allowing for a plastically deformable gel. This thesis shows that tuning of the packed gels’ mechanical properties is possible via control of the individual granule characteristics. Granule size, stiffness, and levels of guest and host functionalization were varied, and rheological characterization of the gels was completed for their shear elastic moduli, measured from 70 to 960 Pa, and yield stress, spanning between 40 to 370 Pa. When applied to breast cancer aggregates, growth was observed in all conditions, with higher overall growth in gels with lower stiffness and yield stress. Cell invasion was observed for gels with lower yield stresses of 40 and 70 Pa, with lower yield leading to earlier invasion, between days 2 and 3 compared to days 3 and 4, respectively. These results indicate the potential of this platform to study the role of ECM plasticity. The proposed packed granular hydrogel begins to address the need for control over mechanical plasticity, allowing for better understanding of this property in tissue fate and function

Pour comprendre le comportement complexe des cellules dans les environnements de culture cellulaire en 3D, il faut contrôler et connaître les signaux mécaniques et chimiques qu'elles reçoivent. Les hydrogels d'origine naturelle sont largement utilisés dans les études de culture en 3D, par contre il peut être difficile de découpler les différents signaux entre les cellules et leur matrice extracellulaire (MEC) pour comprendre leurs rôles individuels. Les hydrogels synthétiques ont été conçus pour étudier soit les propriétés élastiques ou viscoélastiques, mais ils n'offrent généralement pas la restructuration plastique de la MEC que l'on peut observer dans leurs homologues naturels. En tant que tel, le role du comportement de déformation plastique de la MEC dans les cultures cellulaires en 3D demeure largement inconnu, car il n'existe pas encore de plateforme conçue spécifiquement pour explorer cette propriété mécanique. Les hydrogels granulaires ont récemment suscité l'intérêt pour leurs caractéristiques uniques, telles que leur comportement d'auto-quérison et rhéofluidifiant, fournissant une base pour le développement de nouvelles plateformes de culture 3D. Ici, ce travail présente un hydrogel de polyacrylamide à granules fonctionnalisés par une chimie hôte-invité, fournissant une liaison réversible entre les granules individuels, ce qui permet de former un gel plastiquement déformable. Cette thèse montre que le réglage des propriétés mécaniques des gels granulaires est possible via le contrôle des caractéristiques des granules individuels. Leur taille, leur rigidité et les niveaux de fonctionnalisation relatives de l'hôte et de l'invité ont été variés, et la caractérisation rhéologique des gels a été complétée pour leurs modules élastiques de cisaillement, mesurés de 70 à 960 Pa, et leur limite d'élasticité, comprise entre 40 et 370 Pa. Lorsqu'ils ont été appliqués à des agrégats de cancer du sein, une croissance a été observée sous toutes conditions, avec une croissance globale plus élevée dans les gels ayant une rigidité et une limite d’élasticité plus faibles. L’invasion cellulaire a été observée dans les gels présentant des limites d’élasticité plus faibles, de 40 à 70 Pa, dont les contraintes plus faibles entraînent une invasion plus précoce, observée aux jours 2 et 3 au lieu des jours 3 et 4 respectivement. Ces résultats indiquent le potentiel de cette plateforme pour étudier le rôle de la plasticité de la MEC. Donc, l'hydrogel granulaire proposé donne place au développement de plateforme de culture cellulaire avec contrôle de plasticité mécanique, permettant une meilleure compréhension de cette propriété dans le sort et la fonction des tissus biologiques