Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Processus microfluidiques“

Ce travail porte sur la réalisation de systèmes microfluidiques pour l’étude de processus de cristallisation. Le but est de rendre plus rapide et plus simple l’acquisition de données expérimentales sur la cristallisation, essentielles pour les industries chimiques et pharmaceutiques. L’ensemble des outils est basé sur un contrôle précis des températures et sur la production et la manipulation de gouttes d’une centaine de nanolitres dans des systèmes microfluidiques. Ces gouttes sont utilisées comme microréacteurs indépendants dans lesquels il est possible d’induire la formation de cristaux dans des conditions contrôlées. Par ailleurs, les différents systèmes s’appuient sur la possibilité d’observer un grand nombre de gouttes pour réaliser des criblages de conditions opératoires et accéder à des données statistiques sur des phénomènes stochastiques tels que la nucléation. Le premier système permet d'effectuer des criblages rapides de diagrammes de solubilité de soluté dans un solvant. Le second dispositif permet de détecter les formes polymorphiques d’un composé qui se forment lors de l’étape de cristallisation, et les deux derniers ont pour but de mesurer des cinétiques de nucléation. Le faible volume des gouttes est un point crucial dans ces dispositifs. En effet, dans de tels volumes, il est possible d’atteindre des sursaturations élevées, d’induire la nucléation mononucléaire et par conséquent, d’isoler les cristaux formés. Grâce à ces outils, nous avons pu entre autre, mesurer pour la première fois la limite de solubilité d’une forme métastable du nitrate de potassium, et mettre en évidence l’importance des impuretés lors du processus de nucléation
This work deals with the development of microfluidic devices for studying crystallization processes. The goal is to simplify and to increase the speed of experimental data acquisition on crystallization, which is important for chemical and pharmaceutical industries. The devices are based on a precise temperature control and on the production and manipulation of hundreds of nanoliter-sized droplets in specific microfluidic systems. The droplets are used as independent microreactors in which we can induce crystal formation in a controlled way. Besides, since the different systems offer the possibility to observe directly a large number of droplets, they enable us to perform high-throughput screening of experimental conditions and to carry out statistical measurements of stochastic phenomenon such as nucleation. The first device was developed for the rapid screening of solubility diagrams. The second one enables us to detect polymorphic forms of a compound appearing during a crystallization step, and the two last systems are used to measure nucleation kinetics. The small droplet volume is crucial for these applications. Indeed, in such a small volume, it is possible to reach very high supersaturations, to induce mononuclear nucleation and as a consequence, to separate all nucleation events. Thanks to these microfluidic tools, for the first time we measured the solubility limit of a metastable form of potassium nitrate, and show the importance of impurities in crystal nucleation process

Un des défis dans le développement de procédés chimiques plus écologiques est de trouver des solvants à faible volatilité, facilement séparables et recyclables. Une solution prometteuse est l’utilisation de solvants à hydrophilie commutable sensibles au CO2 (CO2-SHS), offrant une alternative aux solvants volatiles aux propriétés fixes. Cette étude propose une nouvelle approche pour évaluer les performances des SHS en utilisant le 2-2-Dibutylaminoéthanol (DBAE), un SHS connu, dans un dispositif microfluidique continu en poly(diméthylsiloxane) (PDMS). Cette méthode offre une alternative rapide et flexible aux réacteurs batch traditionnels et aux plateformes millifluidiques existantes. Le système DBAE/eau/CO2 a été caractérisé par des techniques spectroscopiques (ATR-IR et Raman) pour identifier les espèces impliquées dans le mécanisme de réaction. Le changement d’hydrophilie a été testé dans un ensemble millifluidique inspiré des plateformes existantes et dans le dispositif PDMS conçu
One of the main challenges in developing greener chemical processes is finding lowvolatility solvents that are easily separable, energy-efficient, and recyclable. A promising solution is the use of reversible CO2-Switchable Hydrophilicity Solvents (CO2-SHS), which offer an energy-efficient alternative to solvents with fixed properties. In this study, we propose a novel approach to rapidly investigate SHS performance using 2-2-Dibutylaminoethanol (DBAE), a known CO2-SHS, within a continuous microfluidic device made of poly(dimethylsiloxane) (PDMS). This method provides a highly adaptable alternative to traditional batch reactors and millifluidic platforms. First, the DBAE/water/CO2 system was characterized using spectroscopic techniques (ATR-IR and Raman) to identify the species involved in the phase change mechanism. Then, the hydrophilicity switch was tested, initially in a millifluidic assembly inspired by existing platforms, and subsequently in the designed PDMS device

L’objectif de cette thèse était de mettre au point des dispositifs microfluidiques pour la cristallisation de protéines, de proposer des solutions au criblage des conditions de cristallisation et enfin de contribuer à la compréhension du processus physico-chimique de cristallisation dans un système confiné. Nous avons décrit les techniques de microfabrication, la réalisation de microvannes ainsi que les dispositifs multicouches. Une mise au point d’une plateforme permettant l’observation du processus de cristallisation et le contrôle des microvannes ont été réalisés. Nous avons apporté des solutions aux problématiques rencontrées telles que le boitier à deux compartiments pour une meilleure conservation des cristaux, la méthode d’aspiration avec un minimum d’échantillon sans volume mort ainsi que les dispositifs à trois couches. Enfin, nous avons étudié l’influence de la hauteur du microcanal sur la cristallisation du lysozyme. Nous avons démontré que le nombre de centres de nucléation, la taille des cristaux ainsi que le processus cinétique de la cristallisation dépendent de la hauteur du canal. Nous avons, enfin, proposé une méthode de cristallisation autorisant le découplage de la nucléation et de la croissance cristalline
The objective of this thesis was to perfect Microfluidic devices for the crystallization of proteins, to offer solutions for the screening of the conditions of crystallization and finally to contribute to understanding the physicochemical process of crystallization in a Microfluidic device. We detailed the techniques of microfabrication, the realization of microvalves as well as the multi-layered chips. A platform allowing the observation of the process of crystallization and the control of microvalves were accomplished. We brought solutions in met problems such as the box divided in two compartments for a better conservation of crystals, the method of aspiration with a minimum of sample without dead volume as well as three-layered chips. Finally, we studied the influence of the height of the microchannel on the crystallization of the lysozyme. We showed that the number of centers of nucleation, the size of crystals as well as the kinetic process of crystallization depends on the height of the channel. We offered, finally, a method of crystallization allowing decoupling the nucleation and crystals growth

Ce sujet de thèse fait partie d’un projet européen visant à développer l’utilisation de la lumière solaire pour créer des produits à haute valeur ajoutée en utilisant la photochimie catalytique. Dans ce contexte, la synthèse de nanophotocatalyseurs est essentielle car les caractéristiques des nanomatériaux doit être maîtrisées pour optimiser l'efficacité de la réaction. Les méthodes de synthèses utilisant les fluides supercritiques (haute pression / haute température) se sont révélés être des procédés de choix pour de tels développements. Combinés à l’utilisation de microréacteurs, il est alors possible d’accéder à un contrôle fin des propriétés du matériau, notamment celles de surface. Les objectifs de ce projet sont de (i) développer des procédés de synthèse permettant de concevoir de nouveaux nanophotocatalyseurs basés sur l’oxyde de titane et des nanoparticules de semi-conducteurs de nitrures, en particulier GaN/TiO2 et GaxIn1-xN/TiO2, (ii) de tester l’efficacité photocatalytique de ces matériaux sur plusieurs réactions photochimiques modèles (oxydation des thiols, trifluorométhylation, conversion des amines en imines), à la fois en réacteur fermé et en réacteurs photochimiques sous flux et (iii) d’étudier les options de changement d’échelle pour améliorer les taux de production de ces nanophotocatalyseurs
This PhD thesis is part of a larger European ITN project (Photo4Future) dealing with improvement of the use of sun light for making valuable products through new heterogeneous catalytic photochemical processes. In this context, the synthesis of nanophotocatalysts is essential since their characteristics must be controlled to optimize the process efficiency towards the desired products. Supercritical fluids synthesis approaches (high pressure / high temperature) have proven to be promising for such developments. Combined to microreactors, it is then possible to reach a precise control of material properties, including surfaces. The objectives of this project are (i) to develop synthetic methods for designing new nanophotocatalysts based on titania and nitrides quantum dots, in particular GaN/TiO2 and GaxIn1-xN/TiO2, (ii) to test their photocatalytics efficiency on several model photochemical reactions (oxidation of thiols, trifluoromethylation and amine to imine conversion), both in batch mode and using continuous flow photochemical reactors and (iii) to investigate the scale-up options for increasing the production rates of such nanophotocatalysts

L'objectif de cette thèse est de progresser dans la compréhension du colmatage lors de la filtration de la matière molle (particules colloïdales et bactéries) et d'étudier l'efficacité et la faisabilité de séparateurs microfluidiques. Ces recherches sont réalisées avec des puces microfluidiques constituées de canaux dont la taille est du même ordre de grandeur que les objets filtrés. Ces puces, conçues pour représenter les processus ayant lieu en microfiltration frontale et tangentielles, permettent d'observer in-situ sous microscope les mécanismes de colmatage. Le système est instrumenté avec des capteurs de débit et de pression et permet ainsi une analyse croisée entre les observations et les variations de perméabilité. Les expériences ont été réalisées pour différentes conditions hydrodynamiques (débit, mode de filtration) et conditions d'interactions colloïdales (en changeant la force ionique). Les résultats mettent en évidence l'importance de la dynamique du blocage de pore par des agrégats de particules et du réentrainement de ces agrégats lorsqu'ils sont fragilisés par l'écoulement. La dynamique de ces évènements provoque des fluctuations de perméabilité. Les interactions particule-particule ou particule-paroi jouent également un rôle important sur la dynamique du colmatage. Trois scenarios sont discutés par analogie anthropomorphique : un scenario panique (0.01 mM) où les répulsions entre les particules induit un phénomène de poussée entre particules qui engendre la formation d'arches à l'entrée des canaux ; un scenario instinct de troupeau (10 mM) où l'attraction entre particules (dans un minimum DLVO secondaire) facilite le transport dans le canal et retarde le colmatage ; un scenario sacrificiel (100 mM) où l'efficacité de capture des particules par les parois est élevée mais les agrégats formés sont très fragiles et fréquemment réentraînés par l'écoulement. Cette analyse illustre l'importance des phénomènes collectifs lors du colmatage par des particules inter-agissantes. Le mécanisme de colmatage par des particules biologiques (bactéries) et notamment la création de panaches bactériens en aval des canaux sont ensuite analysés. Ces phénomènes sont étudiés pour différentes conditions de culture (ratio carbone-azote dans le substrat) afin d'examiner l'effet de la production de substances polymériques extracellulaires (EPS) sur le colmatage. Les résultats montrent que les EPS (et donc les conditions de cultures) jouent un rôle crucial sur le développement de panaches bactériens lors d'écoulement dans des constrictions. Il est montré également que la filtration d'un mélange entre des bactéries produisant peu d'EPS et des bactéries produisant d'EPS favorise la formation des panaches bactériens. Des filtrations de mélange de bactéries et de particules montrent que la présence de bactérie modifie la dynamique du blocage des canaux ; de façon surprenante l'ajout de bactérie permet de retarder le colmatage et de former des dépôts de particules plus fragiles. Des systèmes microfluidiques avec un design spécifique ont également été développés pour réaliser un fractionnement par taille de dispersions sous un écoulement tangentiel. Des résultats préliminaires ont permis d'optimiser leur fonctionnement en trouvant des conditions permettant de filtrer en évitant le blocage des canaux ; leur utilisation pour réaliser des fractionnements continus dans des puces microfluidiques peut être envisagée
The aim of the PhD is to progress in the understanding of the fouling phenomena during filtration of soft matter (colloidal particles and bacteria) and to examine the efficiency and feasibility of microfluidic separators. These studies are realized with microfluidic devices constituted of micrometric channels having the same size range as the materials being filtered. These devices, which mimic membrane dead-end and cross-flow microfiltration processes, allow in-situ and direct microscopic observations of the fouling mechanisms. The microfluidic system is equipped with flow rate and pressure measurement devices allowing a dynamic cross analysis of the observations with the variations of permeability. Experiments have been realized for different hydrodynamic conditions (flow rate, filtration mode) and for different colloidal interactions (by varying the ionic strength) in order to analyse their interplay in the clogging mechanism by soft matter (interacting particles). The results evidenced the importance of clogs formation, fragility and sweeping out dynamics during the fouling process. These dynamic events at bottlenecks induce important permeability fluctuations. The particle-particle and particle-wall interactions also play important roles on the clogging dynamics. Three different scenarios are discussed by analogy to crowd swarming: panic scenario (0.01 mM) where repulsion between particles induce pushing effects leading to the creation of robust arches at pore entrances; herding instinct scenario (10 mM) where the attraction (in secondary minima) between particles enhances the transport in pores and delays clogging; sacrifice scenario (100 mM) where the capture efficiency is high but the aggregates formed at the wall are fragile. These analyses illustrate the importance of collective behaviour exhibited by interacting particles during fouling. The fouling phenomena by biological particles (bacteria) are analysed in terms of the streamer formation conditions and mechanisms. The streamer formation phenomena are in turn analysed by playing with the cultivation conditions (the carbon to nitrogen ratio in the substrate) in order to study the effect of extracellular polymeric substances (EPS) on the process. The results show that EPS (and hence the bacterial cultivation conditions) play crucial role in streamer formation by microorganisms under flow in constrictions. Furthermore, the presence of non-EPS producing bacterial species along with EPS producing species in a mixed culture enhances the streamer formation. On the other hand, filtration of mixed particles and bacteria suspensions show that the presence of bacteria substantially modifies the clogging dynamics. Microfluidic devices with specific configurations have also been developed for fractionation in order to maximize performances of these processes. The preliminary results with these chips in cross-flow conditions show that it is possible to limit the clogging impact by working below a critical flux; their use for continuous microparticles fractionation could be then considered

Ce mémoire porte sur la mise au point de plateforme microfluidique couplée à la microscopie Raman confocale, utilisée dans des conditions d’excitation de la diffusion Raman (diffusion Raman exaltée de surface), dans le but d’obtenir une détection de très haute sensibilité d’espèces moléculaires sous écoulement dans des canaux de dimensions micrométriques. Ce travail a pour ambition de démontrer la faisabilité d’un couplage microscopie Raman/microfluidique en vue de la caractérisation in-situ et locale, des espèces et des réactions mises en jeu dans les fluides en écoulement dans les microcanaux. Nous avons utilisé un microcanal de géométrie T, fabriqué par lithographie douce, dans lequel sont injectées, à vitesse constante, des nanoparticules métalliques d’or ou d’argent dans une des deux branches du canal et une solution de pyridine ou de péfloxacine dans l’autre branche. La laminarité et la stationnarité du processus nous ont permis de cartographier la zone de mélange et de mettre en évidence l’exaltation du signal de diffusion Raman de la pyridine et de la péfloxacine, obtenue grâce aux nanoparticules métalliques, dans cette zone d’interdiffusion. L’enregistrement successif de la bande d’absorption des nanoparticules d’argent (bande plasmon) et du signal de diffusion Raman de la péfloxacine, en écoulement dans un microcanal, nous a permis d’établir un lien entre la morphologie des nanostructures métalliques, et plus précisément l’état d’agrégation des nanoparticules d’argent, et l’exaltation du signal Raman de la péfloxacine observé. Nous avons alors modifié la géométrie du canal afin d’y introduire une solution d’électrolyte (NaCl et NaNO3) et de modifier localement la charge de surface des colloïdes d’argent en écoulement. Nous avons ainsi confirmé que la modification de l’état d’agrégation des nanoparticules d’argent, induite par l’ajout contrôlé de solutions d’électrolytes, permet d’amplifier le signal SERS de la péfloxacine et d’optimiser la détection en microfluidique. Enfin, nous avons développé une seconde approche qui consistait à mettre en place une structuration métallisée des parois d’un microcanal. Nous avons ainsi démontré que la fonctionnalisation chimique de surface via un organosilane (APTES) permettait de tapisser le canal avec des nanoparticules d’argent et d’amplifier le signal Raman des espèces en écoulement dans ce même microcanal
This thesis focuses on the development of a microfluidic platform coupled with confocal Raman microscopy, used in excitation conditions of Raman scattering (Surface enhanced Raman scattering, SERS) in order to gain in the detection sensitivity of molecular species flowing in channels of micrometer dimensions. This work aims to demonstrate the feasibility of coupling Raman microscopy / microfluidics for the in situ and local characterization of species and reactions taking place in the fluid flowing in microchannels. We used a T-shaped microchannel, made by soft lithography, in which gold or silver nanoparticles injected at constant speed, in one of the two branches of the channel and a solution of pyridine or pefloxacin in the other one. The laminar flow and the stationarity of the process allowed us to map the mixing zone and highlight the enhancement of the Raman signal of pyridine and pefloxacin, due to the metallic nanoparticles, in the interdiffusion zone. The recording of the both absorption band of the silver nanoparticles (plasmon band) and the Raman signal of pefloxacin, flowing in microchannel, allowed us to establish a link between the shape of the metallic nanostructure, and more precisely the silver nanoparticle aggregation state, and the enhancement of the Raman signal of pefloxacin observed. We then changed the channel geometry to introduce an electrolyte solution (NaCl and NaNO3) and locally modify the surface charge of the colloids. We have put in evidence that the change of the silver nanoparticle aggregation state, induced by the controlled addition of electrolyte solutions, could amplify the SERS signal of pefloxacin and thus optimizing the detection in microfluidics. At last, we established second a approach that consists in the metallic structuring of microchannel walls. This has shown that the surface chemical functionalization through organosilanes (APTES) allowed the pasting of the channel with silver nanoparticles, thus amplifying the Raman signal of the species flowing within the same microchannel

Ce travail de thèse porte sur le développement technologique d’outils miniaturiséspour l’exploration de diagrammes de phase de fluides complexes (dispersions colloïdales,solutions de polymères ou tensioactifs, etc). Les outils élaborés permettent dedéterminer des diagrammes de phase par une approche continue à l’aide de la microfluidique.Ils sont basés sur deux types de procédés membranaires différents : la pervaporation(mécanisme d’évaporation de solvant) et la dialyse (mécanisme d’échangesosmotiques). En s’appuyant sur le processus de pervaporation, il a été montré théoriquementet expérimentalement qu’il existe une géométrie pour laquelle le séchageconfiné est homogène. Il est donc possible de construire des diagrammes de phase demélanges à plusieurs composants de l’échelle moléculaire aux colloïdes. Une étudeconsacrée à la compréhension de la complexité du séchage des nanoparticules de silicecommerciales dans un canal microfluidique de type microévaporateur a été miseen place. La cinétique de concentration des particules est décrite jusqu’à la formationd’un état dense ainsi que les divers phénomènes liés au séchage comme l’existenced’une transition de phase dans un système colloïdal, l’apparition de fractures ou la délaminationdu matériau dense. Un nouvel outil microfluidique intégrant une membranede type dialyse offre la possibilité de contrôler les échanges osmotiques à l’échelle dunanolitre. Le protocole de fabrication ainsi que le dimensionnement de la géométriesont présentés. Grâce à cet outil, il est possible de mesurer des pressions osmotiquesde dispersions colloïdales
This work deals with the technological development of miniaturized tools for theexploration of the phase diagram of complex fluids (colloidal dispersions, solutions ofpolymers or surfactants, etc). The microfluidic tools we elaborated make it possibleto determine phase diagrams of a series of formulations of complex fluids by consumingonly minute amounts of samples. These devices exploit two types of membraneprocesses to concentrate the chemical species : pervaporation (solvent evaporationthrough a dense membrane) and dialysis (osmotic exchanges through a membrane).Concerning the case of pervaporation, we demonstrated theoretically and experimentallythat a specific microfluidic design exists for which concentration fields of chemicalspecies remain spatially homogeneous along the kinetic path followed withinthe phase diagram. Then, it enables to obtain phase diagrams of multi-componentsmixtures from molecular compounds up to colloids, at the nanolitre scale. We reporta study concerning the understanding of the drying process of commercial silica nanoparticlesusing a dedicated microfluidic experiment involving pervaporation. Wepresent the kinetics of the concentration of the particles within the channel up to theformation of a dense colloidal packed bed which invades the channel at a controlledrate. We developed an original microfluidic tool integrating a dialysis membranewhich makes it possible to control osmotic exchanges at the nanoliter scale. We reportthe protocol of microfabrication of this chip and its specific geometry.We presentpreliminary results showing that this tool can be used to measure osmotic pressures ofcolloidal suspensions

Les maladies neurodégénératives se caractérisent par une déconnexion synaptique et une dégénérescence des axones (DA) précoces, menant à la mort spécifique d’une population neuronale. Les niveaux intracellulaires de NAD+, co-facteur essentiel dans le maintien de l’intégrité axonale, sont fortement diminués lors de ces pathologies. L’augmentation des taux de NAD+ est ainsi une stratégie thérapeutique dans la prévention de ces maladies. La capacité du nicotinamide riboside (NR) à retarder la DA dans le système nerveux périphérique (SNP) ainsi que la récente mise en évidence d'une conversion extracellulaire du NAD+ en NR dans des lignées cellulaires et dans le SNP soulignent l'intérêt de ce précurseur du NAD+. Mon projet de thèse repose sur la caractérisation des effets du NAD+ et du NR lors de la DA dans des neurones du système nerveux central (SNC). A partir d'un modèle d'excitotoxicité mis au point en dispositifs microfluidiques, nous montrons pour la première fois que le NR protège de la DA dans des neurones corticaux de manière plus efficace que le NAD+. Cet effet différentiel a également été validé dans un modèle ischémique in vivo. De manière surprenante, lors d'une neurodégénérescence induite par une déplétion aigüe en NAD+, un effet protecteur total à la fois du NAD+ et du NR a été mis en évidence. L'analyse de la voie de conversion extracellulaire a ainsi révélée une adaptation du métabolisme du NAD+ et de sa conversion en NR en fonction du paradigme neurotoxique. En conclusion, ce travail démontre un fort effet protecteur du NR dans le SNC et ouvre de nouvelles voies thérapeutiques dans la prévention des processus neurodégénératifs
Synaptic and axonal degeneration (AxD) are major events in neurodegenerative diseases. Levels of NAD+, an important coenzyme for axonal integrity, are strongly reduced in different degeneration models so enhancing cellular NAD+ is one of the numerous therapeutic strategies against neuronal pathologies. Nicotinamide riboside (NR) is a good NAD+ precursor as it has already been shown to delay AxD in peripheral nervous system (PNS) and extracellular NAD+ conversion to NR was previously described in cell lines and in PNS. During my thesis project, we analyzed the role of NR metabolism to prevent degeneration processes in cortical neurons. Using an excitotoxicity model developed in microfluidic devices, we showed for the first time that both NAD+ and NR delay AxD in cortical neurons, with a more potent effect for NR. We confirm this differential effect in an in vivo ischemic model. Moreover, NR effect is mainly restricted to the axonal compartment and intracellular NAD+ depletion is reverted after NR application, suggesting that axonal integrity is totally dependent on NAD+ local metabolism. Furthermore, in a complete NAD+ depletion paradigm, NAD+ and NR have surprisingly the same strong effect, protecting equally neuronal death and AxD. Examination of the extracellular pathway suggest that NAD+ conversion to NR is limited in excitotoxicity but effective in the NAD+ depletion model. These results reveal that NR and NAD+ metabolism depend on the neurotoxic paradigm. Our results demonstrate that NR has a strong and local neuroprotective effect on AxD in several neurotoxic processes. These findings open new therapeutic strategies to prevent neurodegenerative diseases

Ce travail présente la conception, la fabrication et le test d’une unité de préparation d’échantillons utilisant une approche originale combinant les microfluidiques digitale et continue. L'avantage du préconditionnement ‘numérique’ est d’éviter l’introduction d'un réseau complexe de micro-vannes pour manipuler les échantillons, tandis que le format ‘continu’ en entrée et sortie de l’unité permet de coupler facilement ce dispositif avec des composants microfluidiques situés en amont et en aval. Nous avons travaillé sur deux procédés de fabrication. Le premier comprend un tricouche PSP (Pyrex-Silicium-Pyrex) pour lequel les interfaces liquide-solide sont de nature hydrophobe. Un procédé original de collage thermoplastique a été optimisé qui est suffisamment générique pour être utilisé dans d’autres procédés MEMS. Cependant, les résultats des caractérisations ont montré que bon nombre des échantillons ne pouvaient pas être manipulés. Pour résoudre ce problème, nous avons développé un procédé bicouche PS (Pyrex-silicium) où les interfaces liquide-solide sont de nature superhydrophobe suite à une nanotexturation du silicium par traitement chimique. Grâce à la faible hystérésis, la résistance de friction et la pollution biologique sont largement réduites ce qui permet la manipulation de liquides complexes. Cette technologie a été employée pour fabriquer une unité microfluidique dédiée à de la préparation d’échantillons issus de bioprocédés à base de levures. Ces échantillons préparés sont ensuite analysés soit par une méthode immuno-enzymatique (ELISA) soit par une analyse par spectrométrie de masse précédée par une étape de séparation par électrophorèse capillaire
This work presents the concept, fabrication technology and characterization of a sample preparation unit using an original approach coupling channel-based continuous and electrowetting-on-dielectric (EWOD)-based digital microfluidics. The major advantage of ‘digital’ is the accurate control of multiple reagents without the need of a complex network of microvalves, while unprocessed and reprocessed ‘continuous’ format is ideal for coupling with upstream and downstream microfluidic devices. We have developed two generations. In our first work, a three layers PSP (Pyrex-Silicon-Pyrex) configuration with hydrophobic liquid-solid interfaces was employed. An original adhesive wafer bonding technique has been optimized that is sufficiently generic to be used in diverse MEMS processes. However, the preliminary characterization results have shown that most real samples used in bioprocessing could not be handled by this first prototype. To address this issue, we have developed a bilayer PS (Pyrex-Silicon) configuration with superhydrophobic liquid-solid interfaces made by chemical nanotexturation of silicon. Thanks to the low contact angle hysteresis of this superhydrophobic surface, the friction resistance and bio-adsorption on the surface were largely reduced allowing transport of real complex liquids. Finally, this prototype has been successfully used for preconditioning samples taken from a yeast bio-reactor and then delivered to analytical modules either an enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) or a capillary electrophoresis (CE) device coupled with a mass spectrometry (MS)

Dans le cadre de cette thèse, nous nous proposons d’étudier le comportement thermo-hydrodynamique d’un mélange solvant/antisolvant supercritique dans une puce microfluidique, pour des conditions utilisées dans le procédé SAS (Supercritical Antisolvent System). Ce travail se base sur une approche complémentaire expérience/simulation via l’utilisation de techniques de recherches avancées telles que la caractérisation in situ sur puce microfluidique (micro-PIV – micro Particle Image Velocimetry) et la simulation numérique intensive. L’objectif de la thèse est de définir les conditions favorables à un « très bon » mélange (total et rapide) des espèces en termes de vitesse, température, pression et « design » d’injecteur. Les simulations sont effectuées avec le code de calcul Notus, massivement parallèle. Après un premier chapitre détaillant l’état de l’art sur les procédés antisolvant supercritiques, puis un second concernant les méthodologies utilisées (modèle numérique, outils microfluidiques), nous comparons dans un premier temps les résultats des simulations numériques à ceux obtenus avec les expériences de micro-PIV en écoulement laminaire. La comparaison est très bonne pour l’ensemble des expériences réalisées. Le code de calcul ainsi validé, nous proposons d’utiliser l’outil numérique comme véritable outil de recherche des meilleures conditions opératoires pour favoriser le mélange. Pour cela, des simulations du mélange de deux fluides (typiquement CO2 et éthanol) sont effectuées pour différentes conditions opératoires (vitesse, température, pression) pour des conditions laminaires mais également en conditions turbulentes, régime rarement atteint à ces échelles de réacteur. En effet, nous avons montré expérimentalement que le régime turbulent pouvait être atteint dans le microcanal grâce à la technologie « microfluidique haute pression » développé au laboratoire. L’étude de la qualité du mélange se base sur deux critères communément utilisées dans la littérature. Le premier est l’index de ségrégation basé sur la variance du champ de concentration ou fraction massique dans notre cas. Celui-ci peut être estimé pour tous les cas de simulation, du laminaire au turbulent. Le deuxième critère est le temps de micromélange basé sur l’estimation du taux de dissipation de l’énergie cinétique turbulente. Celui-ci est calculé uniquement dans les cas turbulents car basé sur les fluctuations des vitesses par rapport à la valeur moyenne. Un des intérêts majeurs de l’utilisation des puces microfluidiques réside notamment dans ses faibles échelles de temps et d’espace. D’un point de vue numérique, de telles échelles permettent, dans des temps de calcul raisonnables, de proposer des simulations numériques directes (DNS), i.e., dont les plus petites mailles sont inférieures ou très proches de l’échelle de Kolmogorov. Ceci est de tout premier intérêt car nous sommes capables de capter les plus petites échelles du mélange et notamment le micromélange. Ainsi, les résultats de simulation nous ont permis de proposer une analyse fiable du mélange d’un point de vue qualitatif et quantitatif, faisant la preuve que les conditions de mélange dans ce type de dispositif sont particulièrement favorables pour l’élaboration de matériaux par antisolvant supercritique. Les conditions optimales de mélange ainsi déterminées, nous proposons dans une dernière partie de simuler la synthèse de nanoparticules organiques dans de tels dispositifs. L’approche numérique est basée sur un couplage des équations de la mécanique des fluides et d’une équation de bilan de population permettant de prendre en compte la nucléation et croissance des particules. Les résultats de simulation ont été comparés avec succès avec ceux expérimentaux obtenues au laboratoire
In the context of this thesis, we propose to study the thermo-hydrodynamic behavior of a mixture, a solvent and a supercritical antisolvent (CO2) in a microfluidic chip, for conditions used in the Supercritical Antisolvent (SAS) process. This work is based on a complementary approach of both experiments and simulations through the use of advanced research techniques, such as the in situ characterization inside the microfluidic reactor (Micro-Particle Image Velocimetry) and the High Performance Computing. The objective of the thesis is to determine the favorable conditions for a "very good" mixture (total and fast) of species in terms of velocity, temperature, pressure and injector "design". The simulations are performed with the massively parallel code Notus. After the first chapter detailing the state of the art on the supercritical antisolvent processes, then the second concerning the applied methodologies (numerical model, microfluidic tools), we first compare the results of the numerical simulations to the experimental data obtained by micro-PIV in laminar flow conditions. The simulation results are in good agreement with the experiments. After the validation of the numerical code, we propose to use the numerical tool to determine the optimal operating conditions of mixing. For this, simulations of the mixture of two fluids (typically CO2 and ethanol) are performed for different operating conditions (velocity, temperature, pressure) for laminar conditions but also for turbulent conditions, a regime rarely reached in microreactors. Indeed, we have shown experimentally that the turbulent mixing could be reached in the microchannel thanks to the "high pressure microfluidic" technology developed in the laboratory. The study of the mixing quality is based on two criteria commonly used in the literature. The first is the segregation intensity based on the variance of the ethanol concentration. This can be estimated for all simulation cases, from laminar to turbulent mixing. The second criterion is the micromixing time related to the turbulent kinetic energy dissipation rate directly estimated from the local velocity fluctuations in turbulent flow conditions. One of the major interests of the use of microfluidic reactors lies especially in its small scales of time and space. From a numerical point of view, such scales allow, within reasonable CPU time, to perform direct numerical simulations (DNS), i.e., in which the grid size is smaller or very close to the Kolmogorov scale. This is of primary interest because we are able to capture the smallest scales of the mixture including the micromixing. Thus, the simulation results allow us to propose a reliable analysis of the mixture from both qualitative and quantitative point of view, proving that the mixing conditions in this type of device are particularly favorable for the material synthesis by supercritical antisolvent. After determining the optimal mixing conditions, we propose in a final part to simulate the synthesis of organic nanoparticles in such devices. The numerical approach is based on the coupling between the CFD code and a population balance equation to take into account the nucleation and growth of particles. The simulation results are also in a good agreement with the experimental measurements performed in the laboratory