Dissertations / Theses on the topic 'Méthode microfluidique'

Le formaldéhyde (HCHO) est un polluant majeur de l’air intérieur. L’objectif de cette thèse est de réaliser les avancées scientifiques et technologiques nécessaires à l’obtention d’une méthode analytique basée sur un dispositif microfluidique de mesure du formaldéhyde dans l’air associant précision, sélectivité, rapidité d’analyse avec pour objectif majeur une autonomie suffisante sur de longues durées, typiquement un mois. Le principe de la méthode reposait initialement sur trois étapes clés, à savoir le piégeage du formaldéhyde gazeux en solution, la réaction du formaldéhyde avec un agent dérivatif, puis la détection du produit de dérivation par colorimétrie ou fluorimétrie. La méthode a finalement évolué vers seulement deux étapes distinctes grâce à l’utilisation d’un dispositif microfluidique innovant dans lequel le piégeage et la réaction ont lieu simultanément. L’étude des performances analytiques du dispositif a permis de valider la méthode développée pendant cette thèse
Formaldehyde (HCHO) is a major pollutant in indoor air. The objective of this work is to realize the scientific and technological advances required to obtain an analytical method based on a microfluidic device to measure air formaldehyde combining precision, selectivity, analysis speed with for major objective a sufficient autonomy on a long time, typically one month. The principle of the method was initially based on three key steps, the gaseous formaldehyde uptake in solution, the formaldehyde derivatization reaction, then the detection of reaction product by colorimetry or fluorimetry. The method has finally advanced toward only two definite steps thanks to the use of an innovative microfluidic device in which uptake and reaction take place simultaneously. The study of analytical performances of the device allows to validate the method developedduring this work

Cette thèse porte sur une méthode microfluidique à base de gouttes et sans ajout de tensioactifs pour préparer les microparticules mimes de GRs. Les microparticules sont obtenues par gélification ionique d’un polymère naturel, l’alginate de sodium (Na-alginate), avec du chlorure de calcium pour former un gel d’alginate de calcium (Ca-alginate). La gélification est étudiée in situ dans le système microfluidique ou ex situ après la collecte de microparticules de Na-alginate. La taille, la structure et la teneur en alginate des microparticules de Na- et Ca-alginate formées sont étudiées en fonction des paramètres opératoires du montage microfluidique. La méthode microfluidique développée tout au long de cette thèse permet de contrôler la taille et les propriétés mécaniques des microparticules de Ca-alginate tout en évitant leur coalescence, malgré l’absence de tensioactifs. Ainsi, des microparticules de Ca-alginate monodisperses et présentant un module de Young proche des GRs sont obtenues et la faisabilité de leur utilisation pour des mesures ultrasonores est également montrée. Par ailleurs, des méthodes alternatives explorées en parallèle sont présentées à la fin de la thèse
This thesis focuses on a droplet-based microfluidic method without the addition of surfactants to prepare RBC-like microparticles. The microparticles are obtained by ionic gelation of a natural polymer, sodium alginate (Na-alginate), with calcium chloride to form a gel of calcium alginate (Ca-alginate). Gelation is studied in situ in the microfluidic system or ex situ after the collection of Na-alginate microparticles. The size, the structure and the alginate concentration of the final microparticles are studied according to the operating parameters of the microfluidic system. The microfluidic method developed throughout this thesis allows to control the size and mechanical properties of Ca-alginate microparticles while avoiding their coalescence, despite the absence of surfactants. Thus, monodispersed Ca-alginate microparticles with a Young’s modulus close to that of RBCs are obtained and the feasibility of their use for ultrasonic measurements is also shown. In addition, alternative methods explored in parallel are presented at the end of the thesis

Ce travail de thèse est consacré à la modélisation et simulation numérique d'écoulements diphasiques liquide-gaz mettant en jeu des transferts de chaleur. La simulation de configurations où la prise en compte des effets de compressibilité de la phase gazeuse est indispensable (micropompes, microactionneurs, etc...) a nécessité l'utilisation d'un modèle original, considérant le liquide incompressible et le gaz compressible sous l'hypothèse faible Mach. Lors de cette thèse, ce modèle a été implémenté dans un code diphasique prenant en compte l'interface à l'aide d'une méthode de front-tracking. Des cas tests ont été développés spécifiquement afin de vérifier la conservation de l'énergie pour des configurations de complexité croissante. Les résultats des cas tests ont permis de mettre en évidence la difficulté à assurer la conservation de l'énergie lorsque l'interface n'est pas discontinue mais lissée, comme c'est le cas dans la méthode de front-tracking standard. Une méthode de traitement d'interface hybride a été proposée, rétablissant le caractère discontinu de l'interface avec la reconstruction d'une fonction indicatrice de phase échelon, tandis que le déplacement de l'interface est assuré d'un pas de temps à l'autre à l'aide du front-tracking. Les résultats obtenus avec cette nouvelle méthode hybride sont très satisfaisants, la méthode hybride permettant d'assurer la conservation de l'énergie et de la masse avec précision dans les simulations.

Une capsule est une petite goutte de liquide entourée d'une fine membrane. Dans ses diverses applications, le procédé d'encapsulation a pour but de protéger le milieu interne d'éventuelles agressions extérieures (e. G. Transplantation de cellules animales dans le corps d'un receveur), ou au contraire de libérer le contenu de la capsule après rupture programmée de la membrane (cosmetiques, pharmaceutique. . . ). Dans les deux cas, il est important de connaître les propriétés mécaniques de la capsule afin d'éviter ou de prédire l'éclatement. Ce travail est consacré au comportement d'une capsule seule suspendue dans un écoulement. Sous l'effet des forces hydrodynamiques sur la membrane, la capsule se déplace et déforme. Réciproquement, sa seule présence perturbe l'écoulement externe. Il s'agit donc d'un problème d'interaction fluide/structure. Dans notre modèle, les liquides interne et externe sont supposés Newtoniens; en raison de la petite taille de la capsule, leur mouvement est régi par les équations de Stokes. La membrane est considérée comme un milieu bidimensionnel en grandes déformations, dont le comportement est décrit par une loi hyper-élastique non-linéaire. L'objectif est d'effectuer un suivi Lagrangien de la membrane dans n'importe quel écoulement tridimensionnel infini. Le problème est résolu par une méthode numérique originale basée sur une formulation aux intégrales de frontière. Pour une bonne description géométrique en grande déformation, l'interface est interpolée par des splines bi-cubiques. Physiquement, plusieurs lois de membrane et trois écoulements différents sont considérés afin de déterminer l'influence de ces paramètres sur la réponse globale de la capsule. Nous avons ainsi pu démontrer l'existence de régimes instables où la membrane flambe et est susceptible de se rompre, en accord avec les observations expérimentales.

Le travail présenté concerne le développement d'un outil de simulation d'écoulements diphasiques dont les rapports de densité et de viscosité peuvent être grands, prenant en compte les effets capillaires, et où les interfaces évoluent librement sur un maillage fixe. Les applications visées concernent aussi bien les problèmes posés par le génie des procédés que par la propulsion ou les échanges océan-atmosphère. Le transport de ces interfaces est assuré par une méthode de capture de front sans reconstruction d'interface. On montre que cette méthode épaissit les zones interfaciales dans les régions de fort étirement et on propose une méthode de modification de la vitesse dans ces zones qui permet de s'affranchir du problème. L'outil numérique ainsi amélioré permet l'étude détaillée de plusieurs aspects de la dynamique des écoulements à bulles et à gouttes intervenant sur une gamme d'échelles de longueur allant de quelques dizaines de microns à quelques centimètres dans des configurations axisymétriques ou pleinement tridimensionnelles. Des simulations concernant la microfluidique sont comparées à des expériences très récentes. Enfin une étude de la dynamique d'une suspension comprenant jusqu'à 27 bulles a permis notamment de mettre en évidence l'influence du nombre de Reynolds des bulles sur l'intensité des fluctuations de vitesse qu'elles induisent dans le liquide
This work deals with the development of an interface-capturing method aimed at computing three-dimensional incompressible two-phase flows that may involve high density and viscosity ratios and capillary effects. The applications we have in mind concerns chemical engineering as well as environmental problems. We use a front-capturing method to advance the interface but do not perform any explicit reconstruction. We show that the base version of this method results in a smearing of the fronts in regions where the flow undergoes a stray stretching. We propose an improved technique in which the local velocity field within the fronts is modified and the above problem is fixed. This algorithm allows the interfaces to deform properly while maintaining the numerical thickness of the transition region within three computational cells. A detailed study of several aspects of the dynamics of two- and three-phase flows, such as drops in microchannels or hydrodynamic interactions in a bubble swarm, is then performed in both axisymmetric and three-dimensional configurations. The results concerning microfluidics are compared with very recent experiments. Finally, a study of the dynamics of a bubbly suspension involving up to 27 bubbles allow us among other things to enlighten the influence of the bubbles Reynolds number on the velocity fluctuations induced in the liquid

Ce travail porte sur des simulations numériques par la méthode DSMC (Direct Simulation Monte Carlo) de l'écoulement raréfié d'un mélange de deux gaz entrant, soit séparément, soit déjà mélangés, dans un micro canal. Dans le cas de deux gaz déjà mélangés, les paramètres permettant de retrouver les valeurs d'initialisation sont étudiés. En tenant compte de ces résultats pour l'étude de l'écoulement de deux gaz séparés et leur mélange, des facteurs influant sur la longueur de mélange sont analysés. On a tenté de diminuer cette longueur en étudiant les effets de quelques paramètres géométriques, comme ajouter deux bosses de manière symétrique dans le canal, ou des conditions aux limites d'initialisation, comme diminuer la vitesse d'entrée. Les résultats des simulations DSMC pour le gaz mélangé sont comparés avec des résultats théoriques connus dans deux cas : avec des bosses et sans bosses. On obtient un bon accord entre les résultats théoriques et ceux des simulations. Enfin, une étude analytique à partir des équations de Navier-Stokes avec les conditions aux limites du glissement à la paroi et les termes du couplage du modèle BGK pour le mélange, est faite pour modéliser un mélange binaire gazeux isotherme dans un micro canal. Le système asymptotique obtenu pour les pressions et les vitesses de chaque espèce dans le mélange, est analysé numériquement avec MATLAB. Pour finir, pour un problème identique, les résultats asymptotiques sont comparés avec ceux de la simulation DSMC pour les pressions

L’objectif de la thèse est de modéliser l’écoulement d’un gaz (azote) dans des micro-filtres. La région du filtrage est une membrane qui contient des orifices, en fait des micro-canaux, dont le diamètre est de quelques micromètres. Au voisinage de chaque orifice, l’écoulement du gaz supposé normal à la membrane, est en régime de raréfaction dit de ‘transition’, intermédiaire entre le régime continu relevant des équations de Navier-Stokes et le régime moléculaire libre où les molécules du gaz évoluent sans interactions entre elles. Deux approches sont utilisées pour analyser l’écoulement dans un micro-canal. La première, théorique, est basée sur une analyse adimensionnelle des équations de Navier-Stokes avec des conditions de glissement à la paroi. La seconde, numérique, est statistique et est basée sur une simulation de Monte Carlo (DSMC). Une étude paramétrique sur différentes géométries de micro-canaux est faite dans le cas d’un écoulement isotherme. Le comportement d’écoulement gazeux à travers un micro-canal est ensuite étudié en appliquant un gradient de température entre son entrée et sa sortie. Cette analyse permet de mettre en évidence le phénomène de transpiration thermique. En s’appuyant sur les résultats numériques, un modèle analytique est proposé. L’effet du coefficient d’accommodation à la paroi sur l’écoulement est aussi étudié. En fin, les effets de compressibilité sont étudiés dans un micro-canal, puis les relations liant le débit et les gradients de pression. Une simulation numérique d’écoulement au travers d’une série de micro-canaux est aussi présentée

Le réchauffement climatique est une préoccupation pour les générations actuelles et futures en raison de l'augmentation des émissions de gaz à effet de serre (GES) dans l'atmosphère, principalement dues à la dépendance aux combustibles fossiles. L'utilisation de carburants alternatifs tels que le méthanol durable produit à partir de H2 renouvelable et de CO2 contribuerait à réduire les émissions de GES et les effets du changement climatique. La synthèse du méthanol à partir de matières premières riches en CO2 se fait préférentiellement en utilisant un catalyseur solide composé de CuO, ZnO et ZrO2. Ce type de catalyseur peut être produit par coprécipitation des espèces métalliques à l'aide d'un dispositif microfluidique, avec des avantages qui ont été démontrés par rapport aux catalyseurs synthétisés par coprécipitation discontinue. Dans ce travail, différents catalyseurs pour l'hydrogénation du CO2 en méthanol ont été synthétisés en utilisant la technique microfluidique dans différentes conditions, afin d'explorer différents paramètres de synthèse pouvant conduire au développement de catalyseurs plus actifs. Les différences de propriétés et d'activité entre un catalyseur synthétisé par la méthode microfluidique et un autre synthétisé par la méthode batch ont été étudiées, suivies d'une exploration des effets du temps de vieillissement et de la température de coprécipitation sur les catalyseurs. Enfin, l'effet de différentes compositions de catalyseurs sur les propriétés et l'activité a été déterminé, en étudiant différentes teneurs en CuO, l'utilisation de CeO2 comme promoteur et l'utilisation de In2O3 comme promoteur et comme métal actif
Global warming is a concern for the current and future generations due to the increasing greenhouse gases (GHG) emissions to the atmosphere, mainly due to the dependence on fossil fuels. The use of alternative fuels such as sustainable methanol produced from renewable H2 and from CO2 would contribute to reduce the GHG emissions and the effects of climate change. The synthesis of methanol using CO2 rich feedstock is preferentially done by using a solid catalyst composed of CuO, ZnO and ZrO2. This type of catalyst can be produced by coprecipitation of the metal species using a microfluidic device, with advantages that have been demonstrated over catalysts synthesized by batch coprecipitation. In this work, different catalysts for the hydrogenation of CO2 to methanol were synthesized using the microfluidic technique under different conditions, in order to explore different synthesis parameters that could lead to the development of more active catalysts. The differences in the properties and activity between a catalyst synthesized by the microfluidic method and another synthesized by the batch method were investigated, followed by an exploration of the effects of the aging time and the coprecipitation temperature on the catalysts. Lastly, the effect of different compositions of catalysts on the properties and activity were determined, by investigating different CuO contents, the use of CeO2 as a catalyst promoter, and the use of In2O3 as a catalyst promoter and as active metal

La phosphorylation de protéines est un régulateur clé de voies de signalisation cellulaire. Elle est impliquée dans la plupart des événements cellulaires et contrôle les processus biologiques tels que la prolifération, la différenciation et l'expression des gènes. Une phosphorylation anormale de protéines peut être observée dans diverses maladies comme certains cancers ou maladies neurodégénératives. Ces protéines constituent donc des biomarqueurs potentiels pour le développement d’outils de diagnostic. Cependant les phosphoprotéines peuvent être présentes à faibles concentrations dans les liquides biologiques et des techniques d’enrichissement sélectif des protéines phosphorylées doivent être développées en amont des analyses. L'une des approches les plus courantes est basée sur la chromatographie d'affinité de type IMAC. Le but de ce travail de thèse était de développer un microsystème contenant un monolithe en tant que support solide d'extraction pour réaliser une préconcentration sélective de phosphopeptides par IMAC. La polymérisation par UV et la caractérisation (perméabilité, porosité et surface spécifique) d'un monolithe à base de phosphate de méthacrylate d'éthylène glycol dans des capillaires de silice ont été d'abord réalisées. Puis, nous avons tenté d'optimiser les différentes étapes de l’IMAC (immobilisation du métal, chargement de l’échantillon, lavage et élution). Une immobilisation efficace de zirconium sur le monolithe phosphaté a été démontrée par des mesures de FEO dans un capillaire et a été par la suite confirmée par la rétention d'un phosphopeptide modèle. Nous avons démontré que le monolithe phosphaté était également un support d’échange de cations vis-à-vis de peptides fortement basiques. Les protocoles de chargement et d'élution ont également été étudiés, mais nécessitent encore d’être améliorés. La transposition de l'enrichissement de phosphopeptides par IMAC sur un système miniaturisé a ensuite été envisagée. Nous avons choisi deux matériaux pour la puce : le PDMS, qui est un polymère attractif pour son faible coût, sa facilité de microfabrication, ses excellentes propriétés en termes de biocompatibilité ainsi que ses nombreuses possibilités d'intégration (enrichissement, séparation, détection) et le verre plus communément employé pour développer des microsystèmes analytiques et possédant une bonne transparence aux UV. Toutefois, le PDMS présente deux inconvénients majeurs: son absorption élevée et sa perméabilité importante à l'oxygène qui inhibe la polymérisation radicalaire. A l’exception de quelques tentatives, ce matériau n'a jamais été employé avec succès comme support pour la polymérisation d’un monolithe. Afin de pouvoir surmonter ces problèmes, nous avons étudié plusieurs stratégies de traitement de surface du PDMS tels que le traitement par plasma d’oxygène ou encore le revêtement au borosilicate. Enfin, nous avons démontré que notre module d’IMAC fonctionnait correctement dans un microsystème en verre. Ce module miniaturisé devrait à l’avenir s’intégrer dans un microsystème d’analyse dédié au diagnostic de la maladie d'Alzheimer
Protein phosphorylation is a key regulator of cellular signaling pathways. It is involved in most cellular events and strictly controls biological processes such as proliferation, differentiation and gene expression. An abnormal phosphorylation can be observed in various diseases such as some cancers or neurodegenerative diseases. Therefore, these proteins are potential biomarkers for the development of diagnostic tools. However, phosphoproteins can be present at low abundance in biological samples and selective enrichment techniques have to be developed prior to the analysis process. One of the most common approaches is based on Immobilized metal affinity chromatography (IMAC). The goal of this work was to develop a microsystem which contains a porous polymer monolith (PPM) as a solid phase extraction for a selective preconcentration of phosphopeptides by IMAC. UV-polymerization and characterization (permeability, porosity and specific area) of a monolith based on ethylene glycol methacrylate phosphate in silica capillaries was first performed. Then, we tried to optimize the different IMAC steps (metal immobilization, sample loading, washing and elution). An efficient immobilization of zirconium on the phosphated PPM was demonstrated by EOF measurements in capillary and confirmed by retention of a model phosphopetide. We demonstrated that the phosphated monolith was also a strong cation exchanger of highly basic peptides. Protocols of loading and elution were also studied but need to be further optimized. Transposition of phosphopeptides enrichment by IMAC on a miniaturized system was then considered. We selected two microchip materials: PDMS is an attractive polymer for its low cost, its ease of microfabrication, its excellent working properties (biocompatibility, UV transparent with low autofluorescence) and many integration possibilities (enrichment, separation and detection) and glass microchip more common and having a good UV transparency. However, PDMS presents two major disadvantages: high absorption property, and oxygen permeability which quench free radical polymerization. Except a few attempts, this material has not been employed successfully as mould for monolith polymerization. To overcome these problems, we investigated several strategies for PDMS surface treatments such as plasma treatment and borosilicate coating. Finally, we demonstrated that our IMAC module performed well on glass microchip. This miniaturized module should be integrated in the future into a microsystem dedicated to the diagnosis of Alzheimer disease

Appliquer un champ électrique ou un gradient de température à une solution colloïdale implique la migration des particules (soluté) en suspension. Ce déplacement n’est pas la conséquence de forces de volume comme dans le cas de la sédimentation mais de forces interfaciales agissant sur la double couche électrique présente à la surface des particules colloïdales chargées. Ces forces induisent un écoulement de surface qui à son tour engendre un champ de vitesse du fluide en 1/r³ autour des particules dans la direction opposée à leurs déplacements, où r distance au centre des particules. Dans ce travail on considère une situation différente où la suspension est confinée dans un demi-espace infini limité par une paroi rigide. Un colloïde, sous l’action d’un champ extérieur, se dépose le long de la surface rigide. Bien qu’immobile le colloïde continue de pomper le fluide environnant. Il apparaît alors un écoulement latéral le long du mur et en direction du colloïde. D’autres colloïdes insérés dans un tel écoulement subissent une force hydrodynamique de trainée à l’origine de la formation d’agrégats. De tels agrégats ont été observés aussi bien lors de déposition électrophorétique que plus récemment lors de déposition thermophorétique pour des particules micrométriques en solution aqueuse. Le champ de vitesse confiné prend une forme plus complexe que dans le cas infini : il doit satisfaire à la fois la condition limite fixée à la surface de la particule et sur le mur. Deux méthodes perturbatives, la méthode des réflexions et la méthode d’Oseen, sont utilisées pour résoudre l’équation de Stokes et trouver une solution exacte pour l’écoulement autour du colloïde confiné en puissance de e = a/h rapport du rayon de la particule sur sa distance au mur. La solution usuelle à l’ordre zéro en e donne de pauvres résultats alors que les corrections suivantes donnent de meilleurs conclusions en accord avec les récentes mesures expérimentales de potentiel hydrodynamique de paire entre colloïdes sous champ confinés le long d’un mur
Applying a steady electric field or a constant thermal gradient to a colloidal suspension induces a finite velocity of the dispersed particles. The motion of particles is not due to a net body force like in sedimentation but to interfacial forces acting on the electric double layer at their surface. These forces involve a surface flow, which, in turn, results in a velocity field of the surrounding fluid in 1/r³ in the opposite direction of the particle displacement, with r the distance from the centre of the particle. In this work we consider a somewhat different situation, where the suspension is confined to a semi-infinite half space. The particle, under the action of the applied field, is trapped against the solid interface. Still, the creep flow remains; more precisely the particle continues to pump the fluid in the opposite direction. As a consequence there arises a lateral flow along the solid surface towards the particle. Thus others particles inserting themselves in this flow undergo drag forces and form clusters. Particles aggregation has been observed in Electrophoresis deposition and more recently in Thermophoresis deposition for micron sized polystyrene beads in aqueous solution. The total velocity field takes a form significantly more complicated than in the above mentioned unbounded cases; it must satisfy boundary conditions both at the particle surface and at the confining wall. Using the perturbative method of reflections or Oseen method based on Fourier transform we resolve the Stokes equation and find an analytic solution for the drag flow along the interface in powers of the ratio e=a/h of particle radius and wall distance. The usual solution at the zero order induces poor approximation, when following corrections in e involves better results in agreement with experimental measurements of hydrodynamic pair potential between two particles along a wall

Ce travail est consacré à la modélisation d'écoulements de deux fluides immiscibles et son application en microfluidique. Pour cela, nous mettons en oeuvre des méthodes Level Set actuelles permettant un suivi précis de l'interface, dont le mouvement est induit par des champs de vitesse vérifiant les équations de Stokes ou de Navier-Stokes munies d'un terme de tension de surface.
Dans une première partie, nous abordons la problématique du suivi d'interface et présentons en détail les composantes de la méthode Level Set. En particulier, nous détaillons les approches ENO et WENO pour discrétiser les équations de Hamilton-Jacobi ainsi que les diverses méthodes existantes de redistanciation.
Dans la deuxième partie, nous traitons de l'analyse et de la résolution numérique des écoulements bifluides incompressibles pilotés par la tension de surface. Après avoir décrit les modèles mathématiques ainsi que leurs discrétisations et solveurs, nous apportons une contribution nouvelle en dérivant théoriquement une condition de stabilité valable pour les nombres de Reynolds faibles à modérés, caractéristiques des configurations microfluidiques. De plus, on introduit une méthode de décomposition de l'écoulement qui permet de diminuer les temps de simulation.
Enfin, la troisième partie est consacrée à l'application des outils évoqués précédemment pour simuler la dynamique de gouttes dans des microcanaux. Nous présentons les résultats numériques obtenus avec d'une part, un code bidimensionnel cartésien et d'autre part, avec un code tridimensionnel axisymétrique que nous avons entièrement développés. Une bonne adéquation est obtenue relativement aux expériences microfluidiques du laboratoire LOF (Rhodia - CNRS). En particulier, avec nos simulations, nous mettons à jour différentes dynamiques de mélange au sein des gouttes.

Une capsule est une goutte de liquide enveloppée par une membrane fine et déformable. Les propriétés mécaniques de la membrane sont essentielles pour le mouvement de la capsule. L'analyse de l'écoulement d'une suspension de capsules dans un canal microfluidique au moyen d'un modèle mécanique est une technique permettant de déterminer les propriétés élastiques de la membrane. Un modèle numérique tridimensionnel a été développé pour résoudre ce problème d'interaction fluide-structure en écoulement confiné. Il couple une méthode des intégrales de frontières pour les écoulements des fluides et une méthode éléments finis pour la déformation de la membrane. Le modèle est utilisé pour étudier l'écoulement d'une capsule initialement sphérique dans des canaux de différentes sections. Dans un canal cylindrique, on montre que l'effet de confinement du canal conduit à la compression de la capsule. Cela engendre la formation de plis sur la membrane autour de l'axe de l'écoulement, phénomène également observé expérimentalement. Dans un canal de section carrée, les effets de la loi constitutive de la membrane, du rapport de taille et du débit d'écoulement sur la déformation de la capsule sont systématiquement étudiés. La comparaison entre les résultats expérimentaux et numériques nous permet de déduire les propriétés mécaniques de la membrane d'une population de capsules artificielles. Ce travail démontre la faisabilité de la mesure de propriétés mécaniques d'une membrane en utilisant une technique microfluidique en canal carré. Il pourrait être étendu par l'étude d'écoulements instationnaires dans un canal de section variable ou avec bifurcations.

Les capsules, formées d’une goutte protégée par une membrane élastique, sont très présentes naturellement et dans diverses applications industrielles, mais peu d’études ont exploré les phénomènes transitoires de leur relaxation. L’objectif est d’étudier l’influence de l’inertie et du confinement sur la relaxation d’une capsule sphérique (1) pré-déformée en ellipsoïde et relâchée dans un canal carré où le fluide est au repos, (2) sous écoulement dans un canal carré à expansion soudaine (‘marche’). La capsule est modélisée comme un fluide Newtonien dans une membrane hyper-élastique sans épaisseur ni viscosité, et simulée en couplant les méthodes Volumes Finis - Eléments Finis - frontières immergées. Sa relaxation dans un fluide au repos comporte 3 phases : amorçage du mouvement du fluide, phases rapide puis lente de rétraction de la membrane. Trois régimes existent selon le rapport de confinement et le rapport des nombres de Reynolds et capillaire : amortissements pur, critique ou oscillant. Un modèle de Kelvin-Voigt inertiel est proposé pour prédire les temps de réponse et aussi appliqué à une capsule en écoulement dans le canal microfluidique avec marche. La comparaison aux simulations 3D montre sa pertinence aux temps courts de la relaxation. Ces travaux ouvrent la voie à l’étude d’écoulements transitoires de capsules confinées dans des systèmes microfluidiques complexes
Capsules, made of a drop protected by an elastic membrane, are widly present in nature and in diverse industrial applications, but few studies have explored the transient phenomena governing their relaxation. The objective of the PhD is to study the influence of inertia and confinement on the relaxation of a spherical capsule (1) pre-deformed into an ellipsoid and released in a square channel where the fluid is quiescent, (2) flowing in a square channel with a sudden expansion (‘step’). The capsule is modeled as a Newtonian fluid in a hyperelastic membrane without thickness or viscosity and is simulated coupling the Finite Volume - Finite Element - Immersed Boundary Methods. Its relaxation in a quiescent fluid exhibits three phases: the initiation of the fluid motion, the rapid and then slow retraction phases of the membrane. Three regimes exist depending on the confinement ratio and the Reynolds to capillary number ratio: pure, critical or oscillating damping. A Kelvin-Voigt inertial model is proposed to predict the response time constants and also applied to a capsule flowing in the microfluidic channel with a step. The comparison to 3D simulations shows its relevance at short relaxation times. This work paves the way to the study of transient flows of capsules confined in microfluidic devices

Ce travail porte sur le développement de nouvelles méthodes de mesure permettant la caractérisation de réactions chimiques très exothermiques dans des conditions de sécurité. Pour cela, nous souhaitons combiner l’analyse thermique des réactions et la technologie microfluidique. L’utilisation de la microfluidique rend possible l’utilisation de très faibles volumes réactionnels limitant ainsi tout risque lié à la dangerosité des réactions explosives. Le premier appareil développé est un microcalorimètre qui mesure le flux de chaleur global dégagé lors d’un écoulement co-courant ou gouttes. Plusieurs paramètres peuvent être déterminés : enthalpie de mélange et de réaction, concentration par dosage calorimétrique et cinétique. Le deuxième dispositif consiste à mesurer le champ de température du milliréacteur isopéribolique à l’aide d’une caméra InfraRouge et ainsi de suivre localement l’évolution de la réaction pour déterminer les paramètres thermocinétiques
This work deals with the development of new measurement methods in order to characterize high exothermic chemical reactions in safe conditions. Thus, we combine thermal analysis with microfluidic technology. The use of microfluidics allows to manipulate a very small amount of product safely. First, we have developed a microcalorimeter to measure the global heat flux produced in co-flow or droplet-flow configurations. Several parameters can be determined: reaction and mixing enthalpy, concentrations by calorimetric titration and kinetics. The second method uses an InfraRed camera to measure the temperature field of the isoperibolic millireactor. Then, the local evolution of the reaction is estimated by thermal processing. From such inverse methods, the thermokinetic parameters can be determined

Depuis une vingtaine d’années, les méthodes bioanalytiques tendent à être miniaturisées et intégrées dans des systèmes automatisés de faibles dimensions permettant d’obtenir des analyses rapides, efficaces et sensibles. Au cours de cette thèse, nous avons conçu des outils bioanalytiques microfluidiques originaux à travers trois approches. Le premier projet a porté sur le développement d’un Western Blot microfluidique qui est une technique d’immunoreconnaissance précédée d’une électrophorèse utilisée en routine en diagnostic médical. Cette méthode possède des limitations qui peuvent être résolues en intégrant ces étapes sur une puce microfluidique grâce au développement de matrices de séparation de protéines photopolymérisables permettant de piéger 15% des protéines présentes. Dans une seconde étude, nous nous sommes intéressés au développement d’une nouvelle méthode bioanalytique miniaturisée dédiée à la détection d’odorants basée sur leur reconnaissance moléculaire par des récepteurs olfactifs dans le but d’aboutir à un système de nez artificiel miniaturisé. Enfin, le dernier système mis en œuvre est une plateforme d’analyse basée sur la microfluidique de goutte et la manipulation de particules magnétiques pour l’implémentation d’immunodosage de biomarqueurs dans des échantillons biologiques disponibles en faible abondance. Une sensibilité de l’ordre du picomolaire a été obtenue en moins de 10 minutes d’analyse. Les résultats obtenus durant ces travaux de thèse ouvrent la voie à un grand nombre de développements futurs aussi bien dans le domaine du diagnostic médical que dans le secteur de la Défense avec la détection olfactive d’explosifs ou d’agents pathogènes

Les biofilms sont largement répandus dans la plupart des écosystèmes terrestres. Ils peuvent être formés par la plupart des microorganismes. Dans le cadre de cette thèse, les biofilms bactériens, plus spécifiquement ceux formés par la bactérie Pseudomonas sp. CT07, ont été étudiés. Ils ont plusieurs rôles, utiles ou nuisibles, pour la santé humaine, l’agriculture et l’industrie. Contrairement aux bactéries planctoniques qui peuvent nager librement, les bactéries sessiles s’attachent aux surfaces où elles peuvent former des biofilms. Pendant ce processus, elles produisent une matrice extracellulaire faite de, mais pas exclusivement, polysaccharides, de protéines, d’ADN et d’ARN. Les propriétés mécaniques de la matrice rendent le biofilm très résilient à son environnement. Elle est viscoélastique et les bactéries peuvent modifier de manière dynamique les propriétés mécaniques du biofilm. La grande variété de groupements fonctionnels disponibles grâce aux différentes biomolécules qui sont présentes dans la matrice permettent de piéger des molécules organiques et les ions dissous. Cela est responsable de plusieurs mécanismes de résistance bactérienne aux antibiotiques. L’objectif principal de cette thèse est de concevoir de nouvelles méthodologies analytiques pour étudier les biofilms et obtenir plus d’informations sur leur structure et ce qui peut les influencer. La spectroscopie infrarouge et la microscopie optique ont été utilisées dans des canaux microfluidiques pour suivre la croissance des biofilms. La combinaison des deux techniques permet l’obtention d’informations sur la composition en différentes biomacromolécules et sur la structure du biofilm. Ces méthodes ont permis d’évaluer l’efficacité de l’inoculation directe et de l’inoculation par un biofilm en amont. L’utilisation de microcanaux avec un faible rapport d’aspect a conduit en des différences importantes dans les conditions hydrodynamiques entre le centre du microcanal et ses coins. Dans cette configuration, les biofilms ont tendance à croître à partir des murs de côté qui sont plus courts. À cet endroit, les forces de cisaillement sont les plus faibles. La microscopie confocale intermittente montre la présence de canaux d’eau exempts de bactéries à l’intérieur d’un biofilmà proximité du coin du microcanal. Nous émettons l’hypothèse que ce canal a un rôle important dans le transfert de masse à l’intérieur du biofilm lorsqu’il devient plus épais. Lorsque les biofilms des bactéries Pseudomonas croissent, leur structure peut être influencée par le type de milieu de culture. Les biofilms croissant dans les milieux complexes obtenus à partir d’extraits de levure peuvent former des structures allongées nommées streamers qui ont été analysées par microscopie confocale à balayage laser. L’imagerie en trois dimensions de ces structures dans des microcanaux droits est rapportée pour la première fois. Dans un milieu de culture minimal avec le citrate de sodium comme seule source de carbone, nous avons observé et quantifié des patrons fractals à la base du biofilm dans le temps. Nous avons aussi conçu un dispositif microfluidique pour l’étude in situ par spectroscopie Raman exaltée par les surfaces (SERS). Cette méthode permet d’avoir un signal Raman rehaussé et une sensibilité élevée pour le citrate de sodium, une source de carbone commune pour les bactéries, à faible concentration. Les différentes méthodologies développées dans le cadre de cette thèse peuvent être appliquées à d’autre systèmes plus complexes dans le futur. La combinaison de la microfluidique pour le contrôle précis de l’écoulement ainsi que les mesures multiplexées dans des microcanaux en parallèle est la clé pour obtenir des indices importants et statistiquement pertinents sur la croissance des biofilms et les méthodes pour les contrôler.
Biofilms are widely spread among most of earth ecosystems. They can be formed by a variety of microorganisms. In the scope of this thesis, bacterial biofilms, more specifically those formed by the bacterium Pseudomonas sp. CT07, have been studied. They have many roles, useful and harmful, for the human health, agriculture and industry. As opposed to planktonic bacteria that can swim freely, sessile bacteria are attached to surfaces where they can form biofilms. During this process, they produce an extracellular matrix made of, but not exclusively, polysaccharides, proteins, DNA and RNA. The mechanical properties of the matrix make the biofilm very resilient to its surrounding environment. It is viscoelastic, and the bacteria can dynamically modify the mechanical properties of the biofilm. The high variety of functional groups available due to the different biomolecules present allows trapping of organic molecules and dissolved ions by the matrix. This is responsible for multiple mechanism of resistance to antimicrobial by bacteria. The main objective of this thesis is to develop new analytical methodologies to study biofilms and obtain more insights on the structure of biofilms and what can influence them. Infrared spectroscopy and optical microscopy were used in microfluidic channel to follow biofilm growth. The combination of the two techniques enabled acquisition of information on the composition in biomacromolecules and biofilm structure. These methods allowed to assess the efficiency of direct inoculation and inoculation from an upstream biofilm. The use of low aspect ratio channels resulted in strong differences in hydrodynamic conditions between the middle of the channel and the channel corners. In this configuration biofilms tended to grow from the short side-walls of microchannels where shear stress was lowest. Time-lapse confocal microscopy showed the presence of a biochannel inside the biofilm in the corner positions. It is hypothesized that this channel has an important role in mass transfer in biofilm as it grows thicker. As the biofilms of Pseudomonas bacteria grew, their structure could be influenced by the type of growth media. Biofilms grown in complex media obtained from yeast cell extract could form elongated structures called streamers which were analysed with confocal laser scanning microscopy. Three-dimensional imaging of these structures in regular straight microchannels is the first of its kind. In a minimal medium with citrate as the sole carbon source, we observe and quantify time-dependant fractal patterns at the biofilm base. We have also developed a microfluidic device for in situ study by surface enhanced Raman spectroscopy (SERS). This method allows having enhanced Raman signal and high sensitivity of sodium citrate, a common carbon source for bacteria, at low concentration. The different methodology developed in this thesis can be applied to more complex systems in the future. Combination of microfluidic for precise flow control and multiplexed measurement in massively parallelized channels is key to get deeper, statistically relevant insights in biofilm growth and methods to control them.

Le travail de thèse a consisté à développer des voies originales de microfabrication pour laconception d'électrodes qui pourront être utilisées dans un biocapteur basé sur unetransduction électrochimique. Une des perspectives étant de pouvoir intégrer ce type decapteur dans un microsystème analytique à base microfluidique, nous avons fait le choix duverre comme matériau de base. Par ailleurs, nous avons privilégié les technologies de" lithographie douce " au détriment de voies classiques telles que la photolithographie afin derendre inutile l'accès à des salles à environnement contrôlé ou l'utilisation d'appareillagessophistiqués.Lors de ce travail, nous avons plus particulièrement travaillé sur le développement deméthodes combinant la technique de microtamponnage et la métallisation chimique de typeautocatalytique (electroless). Cette métallisation nécessitant des surfaces catalytiques pourfaire croître la couche métallique, nous avons développé des méthodes de traitements desurface afin de rendre le substrat de base catalytique sur toute sa surface. La technique demicrotamponnage a ensuite été utilisée afin de passiver les zones où la métallisation n'est pasdésirée et cela a mené à des microstructures métalliques en surface du verre présentant peu oupas de défauts. Notre approche nous a conduit à utiliser plusieurs types de catalyseurs sous laforme de nanoparticules métalliques à base d'argent, d'or ou de palladium et nous avonsdiscuté les différences entre les méthodes basées sur ces différents catalyseurs.Une autre voie a consisté à graver de façon localisée des couches minces métalliquesuniformes en protégeant les zones ne devant pas être gravées par la technique demicrotamponnage. Ceci a permis le développement de deux voies originales demicrostructuration sur couches minces métalliques uniformes (d'une part le pelage sélectif etd'autre part le procédé à double inversion).Dans l'ensemble de nos travaux, des caractérisations d'extrême surface par les techniquesSEM, AFM, ToF-SIMS, XPS et de mouillabilité ont été menées afin d'optimiser ledéveloppement des différents procédés.

La plupart des décès due au cancer sont le fait de l'apparition de métastases qui ne sont pas traitées à temps. En analysant les cellules tumorales circulantes (CTC) qui s'échappent de la tumeur primaire et vont former des métastases, il est possible d'améliorer le pronostic et l'orientation du traitement pour les patients. Ce manuscrit présente le développement d'un système microfluidique pour la capture de ces CTC qui sont des événements extrêmement rares dans le sang (1 CTC pour 10 millions de globules blanc). Après une première partie destinée à mieux comprendre les enjeux liés au tri des CTC et à leur analyse, et un exposé des méthodes existantes, la seconde partie s'attache à présenter toutes les innovations technologiques intervenues durant la thèse et qui ont permis d'aboutir à un système semi-automatisé robuste et fonctionnel. Sont abordés en particulier les aspects de microfabrication, gestion des écoulements et imagerie automatisée. Les résultats obtenus avec ce système sont présentés dans la troisième partie. Après une validation approfondie sur les lignées (qui donne lieu à la création d'un modèle mathématique du processus de capture) et au travail sur le sang, le système est validé à l'aide d'échantillons de patients et comparé à la méthode de référence, afin d'établir ses qualités en terme de rendement de capture et de pureté. Les perspectives de ce travail sont exposées dans le dernier chapitre
Most cancer deaths are caused by the apparition of metastases, when not treated early enough. By capturing and analyzing the circulating tumor cells (CTC) present in the blood of cancer patient (1 CTC for 10 million white blood cells), it is possible to improve both prognosis and treatment orientatior This manuscript presents the development of a microfluidic device that sorts CTC from blood. The first part presents the context of cancer, and the importance of the detection of CTC in the management of the disease. Existing methods to capture rare cells in microfluidic devices are also studied in detail. The second part presents the development of the device and emphasis the improvements in terms of microfabrication, samples handling and imaging that were achieved during the thesis. The third part presents the results obtained with this device in terns of purity and capture efficiency, not only on model cell lines but also on patient samples. A mathematical model for the capture of the cells is proposed. Finally, the perspectives of this work are presented in the last chapter

L’holographie numérique permet d’obtenir une information tridimensionnelle sur les écoulements. Mais, pour l’étude des écoulements canalisés, son utilisation nécessite des précautions dans le post-traitement : les canalisations cylindriques introduisent de l’astigmatisme dans le montage. Pour le prendre en compte, un modèle de simulation des hologrammes, reposant sur le formalisme ABCD, est mis en place. Les hologrammes obtenus sont restitués par transformation de Fourier fractionnaire. En effet, cet opérateur est adapté à la restitution d’hologrammes astigmates et permet de remettre au point sur l’image d’objets centrés ou non. Il est également possible de tirer partie de l’astigmatisme introduit par la canalisation. L’utilisation d’un faisceau focalisé dans la canalisation permet d’isoler une région d’intérêt 3D dans l’écoulement. L’application aux microcanalisations est discutée et l’observation de billes de latex de 5µm de diamètre situées dans un capillaire de 100µm est proposée.

La thèse se concentre sur les effets collectifs des micro-nageurs dans les cristaux liquides nématiques. En utilisant des simulations de Boltzmann sur réseau, nous étudions un système composé de nageurs sphériques au sein d'un cristal liquide nématique. Nos résultats révèlent que le couplage entre les champs de flux du nageur et l'élasticité cristalline liquide peut déstabiliser l'alignement nématique uniforme. Dans l'espace quasi-2D, nous observons l'émergence d'une instabilité dominée par la flexion avec les propulseurs, ce qui est en accord avec les expériences de bactéries dans des films nématiques minces.Après l'ouverture de la troisième dimension, une rupture spontanée de la symétrie chirale est observée ; l'état nématique uniforme devient instable et se transforme en un état cholestérique-like (chiral), caractérisé par une torsion continue dans le champ directeur. Cela est observé à la fois pour les nageurs propulseurs (extensiles) et les nageurs tracteurs (contractiles). En analysant les déformations dans le champ directeur nématique, l'instabilité dominante est identifiée comme étant la torsion-flexion. Nos simulations démontrent que la dynamique des particules et le directeur nématique sont connectés. Dans l'état chiral, tant les nageurs propulseurs que les nageurs tracteurs présentent des trajectoires hélicoïdales.De plus, des stratégies pour contrôler la dynamique des micro-nageurs sont également étudiées. Motivés par des expériences bactériennes, nous considérons des nageurs de types propulseur et tracteur au sein de motifs nématiques. En accord avec les expériences, nos résultats montrent qu'un propulseur présente une trajectoire circulaire dans une flexion pure et une trajectoire linéaire dans un écart pur. Pour un nageur tracteur, un comportement opposé est observé. Enfin, nous explorons le transport de cargaison de particules colloïdales enchevêtrées par des défauts topologiques. Nos simulations suggèrent que le remplacement d'une colloïde passive par un nageur sphérique n'affecte pas le défaut topologique partagé et fournit une mobilité. La particule active est observée pour se lier à la cargaison via un défaut topologique. Avec un nageur propulseur, nous observons un transport guidé le long du directeur nématique, tandis qu'avec un tracteur, un transport perpendiculaire au directeur nématique est observé
The thesis focuses on the collective effects of microswimmers in nematic liquid crystals. Using lattice Boltzmann simulations, we study a system consisting of spherical swimmers within a nematic liquid crystal. Our findings reveal that coupling between the swimmer flow fields and the liquid crystalline elasticity can destabilize the uniform nematic alignment. In quasi-2D space, we observe the emergence of bend-dominated instability with pushers, which is in agreement with experiments of bacteria in thin nematic films.After opening the 3rd dimension, a spontaneous chiral symmetry breaking is observed; the uniform nematic state becomes unstable and transitions into a cholesteric-like (chiral) state, characterized by a continuous twist in the director field. This is observed for both pusher (extensile) and puller (contractile) swimmers. By analyzing the deformations in the nematic director field, the dominant instability is found to be twist-bend. Our simulations demonstrate that the particle dynamics and nematic director are connected. In the chiral state, both pusher and puller swimmers exhibit helical trajectories.Further, strategies for controlling microswimmer dynamics are also studied. Motivated by bacterial experiments, we consider swimmers of both pusher and puller types within nematic patterns. In agreement with experiments, our findings show that a pusher exhibit circular trajectory in a pure bend and linear trajectory in a pure splay. For a puller swimmer, opposite behavior is observed. Finally, we explore cargo transport of colloidal particles entangled by topological defects. Our simulations suggest that replacing a passive colloid with a spherical swimmer does not affect the shared topological defect and provides motility. The active particle is observed to bind to the cargo via a topological defect. With a pusher swimmer, we observe guided transport along the nematic director, while with a puller, transport is observed to be perpendicular to the nematic director

On s’est intéressé aux particularités des écoulements de liquides dans les microcanaux. En particulier, trois micro-effets susceptibles de modifier les relations classiques débit-pression d’un écoulement de Poiseuille sont identifiés. Le premier est lié à la présence de double couche électrique (DCE) en paroi. La réduction résultante de débit est quantifiée, sur la base d’une analyse critique de la littérature. Une validation expérimentale nécessitant des mesures locales de vitesses, nous nous sommes intéressés aux limites des techniques de µPIV pour la reconstitution de champs de vitesses 3-D. Une méthode est proposée pour améliorer la résolution dans la 3ème direction. Elle a été testée sur des essais virtuels ainsi que sur des premiers essais réels qu’il reste à compléter. Par ailleurs, la DCE peut également être utilisée de manière efficace pour générer un écoulement, et on propose une manière d’optimiser un réseau de microcanaux destiné à irriguer par électro-osmose un matériau micro-vascularisé. Le second effet est dû à la dissipation visqueuse qui peut modifier les propriétés du fluide, principalement sa viscosité très sensible à la température. Un banc d’essais pour la mesure de micro-débits a été adapté à des pressions élevées, et l’effet d’augmentation de température est clairement mis en évidence. Les mesures sont confrontées avec succès à des modèles analytiques et des simulations numériques. Le troisième effet, lié à la déformation des parois, est sensible lorsque celles-ci sont fines et réalisées en matériau polymère. L’étude expérimentale et la simulation numérique permettent de quantifier cette déformation et ses effets, en fonction de l’épaisseur des parois
Specific characteristics of liquid flows in microchannels are investigated. Particularly, three micro-effects which can modify the classical flow-rate versus pressure Poiseuille relationship are identified. The first one is related to the presence of an Electrical Double Layer (EDL) near the channel wall. Based on a critical analysis of the literature, the resulting flow-rate decrease is quantified. An experimental validation requiring local velocities measurements, we have investigated µPIV possibilities and limits in order to obtain a 3-D velocity profile. A method is proposed to improve the resolution in the direction perpendicular to the visualization plane. It has been tested on virtual data and on first real experimental data which need to be completed. In addition, the EDL can also be efficiently used to generate a µflow. We propose an optimisation of a microchannels network intended to fill a micro-vascularized material by electro-osmosis. The second effect is due to viscous dissipation which can modify the fluid properties, mainly the viscosity which is very sensitive to the temperature. An experimental setup for micro-flow rates measurements has been adapted to high pressure levels the effect of temperature rise is clearly highlighted. The experimental data are compared with success to analytical models and numerical simulations. The third effect is tied to the deformation of the walls and is sensitive when they are made in polymer materials. The experimental study and the numerical simulation permit to quantify this deformation and its effects, as a function of the wall thickness

L'étude des écoulements, réactifs ou non, nécessite la mise en place de méthodes de diagnostics non-intrusives. Les méthodes de diagnostic optiques sont d'excellentes candidates pour répondre à ce type de problématique. Les milieux étudiés sont alors ensemencés de traceurs adaptés. S'ils sont correctement choisis, ces traceurs permettront de caractériser l'écoulement. L'utilisation de l'holographie numérique pour l'étude des écoulements offre un avantage certain par rapport à des méthodes d'imagerie classiques. En effet, elle permet d'accéder aux caractéristiques tridimensionnelles des traceurs utilisés (vitesses, tailles, position). La simplicité du montage optique utilisé pour l'enregistrement holographique rend cette technique particulièrement adaptée à l'étude des écoulements non-confinés tels que les sprays ou les jets. En revanche, dans le cadre de l'étude des écoulements confinés (écoulements canalisés par exemple), l'utilisation de l'holographie (et des méthodes de diagnostic optique en général) nécessite des modifications dans le dispositif expérimental. En effet, dans le cas d'écoulements canalisés, la géométrie cylindrique des canalisations introduit de l'astigmatisme dans le dispositif d'imagerie. Pour pouvoir étudier les écoulements canalisés et prendre en compte l'astigmatisme du montage, un modèle de simulation numérique des hologrammes est mis en place. Ce dernier permet, grâce au formalisme des matrices ABCD, de prendre en compte les paramètres géométriques la canalisation. Les hologrammes ainsi obtenus sont, ensuite, restitués par transformation de Fourier fractionnaire (TF fractionnaire). En effet, cet opérateur est adapté à la restitution des hologrammes enregistrés en lumière astigmate. De plus, il est ici prouvé que la TF fractionnaire permet effectivement de remettre au point sur les images des objets, que ceux-ci soient centrés sur l'axe optique du système ou non. Bien que l'astigmatisme puisse apparaître comme une difficulté à lever, il est possible d'en tirer partie. Ainsi, l'utilisation d'un faisceau référence focalisé dans la canalisation a permis d'isoler, de manière " tout-optique ", une région d'intérêt tridimensionnelle dans l'écoulement à étudier. Cette démarche permet ainsi d'alléger les traitements de restitution des hologrammes et offre la possibilité de sonder des volumes particuliers de l'écoulement. La généralisation de ces approches au cas des écoulements microcanalisés est discutée et appliquée, avec succès, à la visualisation de billes de latex de 5µm de diamètre situées dans un microcanal de 100µm de diamètre interne ou dans une région d'intérêt de dimensions réduites.

Ce travail de thèse a eu pour objectif de développer de nouvelles méthodes de dépôts et de formation de motifs pour mieux contrôler l'organisation de molécules d'intérêt biologique sur des substrats solides.
Dans la première partie du manuscrit, nous présentons une méthode originale, la micro-aspiration, permettant de réaliser des assemblages réversibles de canaux microfluidiques sur un substrat et servir à guider les liquides. Nous avons étudié les propriétés de ces systèmes avec des modèles physiques simples et appliqué ces phénomènes à la micromanipulation de liquides, le dépôt de protéines à diverses concentrations sur un substrat, la fabrication de motifs de polymères, nanoparticules, gels, etc.
Dans la seconde partie, nous avons exploré des nouvelles méthodes de dépôt de films de phospholipides multicouches sur des substrats solides et les avons appliqués à la fabrication de vésicules unilamellaires géantes de taille contrôlée. Tout d'abord, l'adaptation de techniques conventionnelles (micro-contact printing, moulage, etc.) a permis d'obtenir des motifs de phospholipides de taille micrométrique. Les dépôts ont ensuite été réalisés par retrait d'un ménisque en situation d'évaporation (assemblage capillaire). Nous avons identifié deux régimes de dépôt en fonction de l'importance relative des forces visqueuses et de l'évaporation, permettant un contrôle de l'épaisseur du film jusqu'à 200 nm à la bicouche près. L'émergence d'instabilités de mouillage ou le guidage sur micro-structures ont permis en outre de réaliser des motifs variés. En utilisant des substrats comme électrodes, ces différents niveaux d'organisation ont permis d'obtenir par électroformation des vésicules unilamellaires géantes de taille contrôlée. L'ensemble de ces travaux ouvre de nouvelles voies à la réalisation de surfaces et de motifs micrométriques d'intérêt biologique.

L'objectif principal de cette thèse est consacré à l'étude de la dynamique et la rhéologie d'une suspension de particules denses qui se comportent comme des fluides complexes. La premier partie de cette thèse est consacrée à l'étude de la déformation, le comportement dynamique et la rhéologie d'une suspension de vésicule (un modèle simple pour les globules rouges) sous l'action d'un écoulement externe appliqué (cisaillement simple et Poiseuille confiné) dans la limite de faible nombre de Reynolds. L'étude basée sur des simulations numériques en utilisant la méthode des intégrales de frontière. Cette étude est inspirée par le comportement des globules rouges dans le système microvasculaire. Notre étude est ensuite consacrée aux effets du confinement et du nombre capillaire sur la forme, le comportement dynamique et la viscosité effective d'une suspension de vésicules. Nous avons montré que pour des membranes rigides (nombre capillaire petit), on peut observer en plus de la forme parachute et pantoufle, les formes suivantes : (i) forme d'oscillation centrée, (ii) forme d'oscillation décentrée et (iii) la forme cacahuète. Egalement, nous avons examiné l'influence du contraste de viscosité sur la dynamique et la rhéologie d'une vésicule. Nous avons montré qu'il existe une phase de "coexistence" entre la forme pantoufle et la forme parachute. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous avons proposé un modèle analytique et une étude numérique pour étudier les propriétés dynamiques et rhéologiques d'une suspension de particules rigides sous écoulement de Poiseuille confiné. Le débit, la dissipation et la viscosité apparente sont étudiés en fonction de la structure des plaques dans le canal. Egalement, l'étude numérique d'une suspension de particules sphériques (formes des chaînes de particules) est en accord qualitatif avec le modèle analytique qui considère les longues plaques. Cette étude numérique est basée sur une méthode de la dynamique des particules du fluide, où les particules sont représentées par un champ scalaire ayant une viscosité élevée à l'intérieur.

Les propriétés mécaniques des cellules adhérentes ont une importance capitale pour l'ensemble de leurs fonctions : division, migration, différenciation, etc. De plus, on sait désormais qu'elles sont très sensibles aux caractéristiques mécaniques de leur substrat, auquel elles sont ancrées par l'intermédiaire des intégrines. Ces récepteurs transmembranaires lient indirectement le cytosquelette d'actine intracellulaire aux protéines de la matrice extracellulaire. Nous avons conçu un dispositif de pinces optiques contrôlées par une boucle de rétroaction, qui permet d'appliquer aux cellules une force locale constante, via des microbilles liées aux intégrines. Nous pouvons ainsi mesurer la fonction de fluage de chaque cellule et en tirer une estimation de sa rigidité. Des observations simultanées en épifluorescence permettent par ailleurs d'évaluer les effets de l'application de la force sur la répartition d'actine locale. Nous avons constaté que les cellules se rigidifient sous l'application prolongée d'une force, tout en gardant le même comportement rhéologique : une fonction de fluage en loi de puissance du temps, J(t) = Atα, où A décroît aux temps longs. Cette rigidification est couplée à un recrutement d'actine au niveau des contacts et au sein du réseau cytsoquelettique (jusqu'à plusieurs um du point d'application de la force). De plus, les dynamiques de ces deux phénomènes semblent fortement corrélées. Ce travail présente une évaluation de la dynamique de renforcement cellulaire sous contrainte, et ouvre des perspectives prometteuses vers l'élucidation des phénomènes intervenant dans la mécanotransduction
Adherent cells can control their mechanical properties in order to perform crucial biological functions, like division, migration or differenciation. It has now been proved that cells are very sensitive to the mechanical properties of their substrate, which they sense through integrins. Integrins are transmembrane proteins that link the actin cytoskeleton to the extracellular matrix through scaffolding proteins. We designed an optical tweezers setup controlled by a feedback loop, which allows the application of a constant local force via microbeads bound to the cell integrins. We can thus measure the creep function of a single cell and retrieve an estimate of its rigidity. Simultaneous fluorescence observations allow us to evaluate the impact efforce application on the actin repartition within the cell. We observed that cells stiffen under force application but keep the same rheological response - the creep function still exhibits a power law behavior : J(t) = Atα, in which A decreases on a long time range. Stiffening is coupled to actin recruitment both in the contacts and in the cytoskeleton networtk - up to several um from the force application point. Stiffening and recruitment dynamics seem strongly correlated. This work presents an evaluation of the dynamics of cell Stiffening under stress, which is a novel insight into the elucidation of the more general phenomenon of mechanotransduction

Dans le domaine du diagnostic in vitro, l'étape d'extraction de micro-organismes à partir d'un échantillon complexe est une étape clé pour permettre l'identification du pathogène responsable d'une infection. Pour les septicémies, cette étape d'extraction est généralement précédée d'une étape de culture, ce qui conduit à une obtention des résultats au bout de plusieurs jours. Un résultat plus rapide (typiquement inférieur à 24h) permettrait d'augmenter le taux de survie des patients, et aurait ainsi une forte valeur ajoutée pour le corps médical. Le but de ces travaux est donc de développer une nouvelle méthode d'extraction et de concentration de pathogènes directement à partir d'un échantillon sanguin, sans étape de culture. Une stratégie en deux modules microfluidiques associés en série est proposée : elle repose sur la modification de la conductivité et de l'osmolarité de l'échantillon dans un premier module, puis sur la capture des micro-organismes par diélectrophorèse dans un second module. L'étude du premier module a permis de déterminer l'impact de la conductivité et de l'osmolarité du milieu sur les propriétés diélectriques des cellules. Deux voies ont ainsi été abordées, afin de diriger les cellules du sang et les micro-organismes vers un milieu de conductivité et d'osmolarité contrôlées : la dilution, et l'utilisation de forces acoustiques. L'étude du deuxième module a ensuite permis de démontrer la possibilité de capturer et concentrer des micro-organismes à partir d'un échantillon hypotonique et faiblement conducteur dans un écoulement microfluidique par diélectrophorèse. L'architecture d'un microsystème dédié a été définie grâce à un modèle numérique, puis validé expérimentalement avec des échantillons sanguins et différents micro-organismes (E. coli, S. epidermidis et C. albicans). La capture générique des micro-organismes est démontrée, et un taux de capture de 97% a été obtenu pour la séparation de \EC, avec une vitesse moyenne de l'échantillon dans le microsystème de 100 à 200 µm.s-1. Enfin, des perspectives d'amélioration sont présentées pour permettre d'effectuer cette étape de séparation sur un gros volume d'échantillon (1 à 10mL) en quelques heures, afin de répondre aux exigences imposées par l'urgence des tests de diagnostic des septicémies
Extraction of pathogens from a biological sample is a key step for efficient diagnostic tests of infectious diseases. For bloodstream infections, current diagnostic methods are usually based on bacterial growth and take several days to provide valuable information. An accelerated result would have a high medical value to adjust therapeutic strategies. The aim of this study is to design a new approach for separation and concentration of microorganisms directly from a blood sample, to avoid time-consuming growth stages. We report a method based on two different microsystems connected in series: it combines modification of conductivity and osmolarity of the sample with generic capture of microorganisms by dielectrophoresis. First we explore the impact of conductivity and osmolarity on the dielectric properties of blood cells and microorganisms. Dilution and acoustic forces are both analyzed to transfer blood cells and microorganisms to the optimized buffer. Then we demonstrate the feasibility of achieving the dielectrophoretic separation of microorganisms from blood cells in a low conductivity and low osmolarity medium inside a fluidic device. The structure of the device is optimized with numerical simulations and experiments performed on blood samples and various microorganisms (E. coli, S. epidermidis and C. albicans).The generic capture of microorganisms is validated, and we achieved a separation of 97% efficiency with E. coli, with an optimal inlet velocity around 100-200 µm.s-1. Finally, we propose an improved microsystem to perform the sample preparation step on a larger volume (1-10mL) in a few hours, in order to fit the medical need

L'activité humaine a un impact significatif sur la vadose, une zone située au-dessus des nappes phréatiques, qui n'est que partiellement saturée en eau. La vadose peut être polluée par les activités agricoles ou industrielles, ce qui constitue une menace pour les ressources en eau. De plus, la saturation varie considérablement, notamment en raison des sécheresses plus fréquentes dues au changement climatique. Prévoir le transport de contaminants en milieux insaturées est donc essentiel. Cependant, la compréhension de la dispersion dans les milieux poreux insaturés reste limitée, en raison de l'interaction complexe des flux multiphasiques non miscibles avec le milieu poreux. Les modèles traditionnels tels que le modèle Fickien, décrit par l'équation d'Advection-Diffusion, ne parviennent pas à rendre compte avec précision de la dispersion dans les milieux poreux insaturés. L'objectif est d'aborder la question du transport dans les milieux poreux insaturés en identifiant les propriétés pertinentes à l'échelle du pore pour comprendre la dispersion à plus grande échelle. Il s'agit notamment de déterminer si la dispersion est fickienne ou non-fickienne, ce qui est crucial pour prédire la propagation des polluants. Une double approche est adoptée : des expériences de transport à l'échelle du pore et des simulations de Lattice Boltzmann. La visualisation directe des fluides dans les milieux poreux est un défi. Nous utilisons donc des micromodèles, réseaux poreux transparents interconnectés, pour permettre la visualisation optique à l'échelle du pore. Tout d'abord, un dispositif expérimental micromodèle a été établi et optimisé pour étudier l'écoulement et le transport multiphasiques. Des méthodes d'analyse ont été développées, ainsi que des techniques de caractérisation de la dispersion par l'analyse des moments spatiaux. Une première série d'expériences mène à des résultats préliminaires, l'évolution de la saturation et des distributions de phases avec le nombre capillaire a été caractérisée. Les expériences de transport réalisées pour toute la gamme de saturation montrent que la dispersion augmente à mesure que la saturation diminue. Cependant, l'analyse des faibles saturations s'est avérée difficile en raison de l'augmentation significative de la dispersion et des limites imposées par la taille du micromodèle, empêchant l'étude de la dispersion à long terme. Pour surmonter cette limitation, des simulations Lattice-Boltzmann ont été utilisées pour l'écoulement et le transport, car elles sont flexibles en taille et seulement limitées par le temps de calcul. Toutefois, simuler la distribution de deux phases après un écoulement multiphasique dans un milieu poreux complexe reste un défi. Générer des images à grande échelle de milieux poreux insaturés à partir de données expérimentales s'est donc avéré nécessaire pour observer la dispersion à temps long. Un algorithme de statistique multipoints (MPS) a été utilisé pour générer à la fois des images de milieux poreux non saturés plus larges et un grand ensemble de d'images plus petites pour augmenter la signification statistique de l'étude. Des simulations d'écoulement et de transport ont été réalisées sur l'ensemble des images générées afin d'explorer l'influence de la saturation sur l'écoulement et le transport. Cette étude révèle que la diminution de la saturation augmente de manière significative l'hétérogénéité de l'écoulement, ce qui entraîne une dispersion accrue. Notamment, la nature non fickienne de l'écoulement tend à être plus prononcée à faible saturation. De plus, la transition d'un transport fickien à un transport non fickien dépend du nombre de Peclet. Il existe une compétition entre l'advection et la diffusion dans des conditions saturées, ce qui entraîne un régime Fickien diffusif pour les faibles nombres de Peclet. Cependant, le transport en conditions non saturées est principalement advectif, même à faible nombre de Peclet, et présente donc un comportement non Fickien
Human activity has a significant impact on the vadose zone, an area located below the land surface and above the water tables, only partially saturated with water. The vadose is susceptible to pollution from agricultural or industrial activities, posing a threat to water resources. Plus, saturation levels vary greatly, especially with the increasing frequency of droughts due to climate change. Hence, predicting contaminant transport in unsaturated conditions is crucial. However, the understanding of dispersion in unsaturated porous media remains limited, due to the complex interaction of multiphase non-miscible flows with the porous medium. Traditional models such as the Fickian model, described by the Advection-Diffusion Equation, fail to accurately capture dispersion in unsaturated porous media.The objective is to address the issue of transport in unsaturated porous media by identifying relevant properties at the pore scale to understand dispersion at a larger scale. One of the goals is to determine whether dispersion follows Fickian or non-Fickian behavior, as this understanding is crucial for predicting the spreading of pollutant in the vadose zone.To investigate transport in unsaturated porous media, a dual approach is being employed: pore scale transport experiments and Lattice Boltzmann simulations. Direct visualization of fluid structure in natural porous media is challenging. Thus, we use micromodels, transparent interconnected porous networks, to enable optical visualization at the pore scale. First, a micromodel experimental setup was established and optimized to study multiphase flow and transport. Analysis methods were developed, along with techniques for characterizing dispersion through spatial moment analysis.A series of experiments were conducted to obtain initial results on multiphase flow and dispersion. The evolution of saturation and phase distributions with the capillary number was characterized. Transport experiments were performed for the entire range of saturations, showing that dispersion increases as saturation decreases. However, analyzing low saturations was challenging due to the significant increase in dispersion and limitations imposed by the micromodel size, preventing the study of long-term dispersion.To overcome this limitation, Lattice Boltzmann simulations were used for flow and transport, as there is no size limitation except for computational time. However, simulating the distribution of two phases after a multiphase flow in a complex porous medium remains challenging. Generating large-scale images of unsaturated porous media based on experimental data was then crucial for observing late-time dispersion. Machine learning techniques, specifically the Multiple Point Statistic algorithm, were employed to generate images of wider unsaturated porous media and a large dataset of smaller images to increase the statistical significance of the study.Flow and transport simulations were conducted using the generated image dataset to explore the influence of saturation on flow and transport. This involved examining flow properties under saturated and unsaturated conditions. The nature of transport, specifically whether it exhibited Fickian or non-Fickian behavior was investigated. Furthermore, the effect of the Peclet number (a measure of the balance between advection and diffusion) on dispersion for different saturation levels was analyzed.This study revealed that decreasing saturation significantly increases flow heterogeneity, leading to increased dispersion. Notably, the non-Fickian nature of flow tends to be more pronounced with low saturations. Plus, the transition from Fickian to non-Fickian depends on the Peclet number. There is a competition between advection and diffusion in saturated conditions, resulting in a diffusive Fickian regime for low Peclet numbers. However, transport in unsaturated conditions is mainly advective, even at low Peclet, and thus displays a non-Fickian behavior

Les piles à combustible sont des dispositifs qui transforment l'énergie stockée dans un oxydant et un réducteur en électricité grâce à des réactions électrochimiques. La technologie la plus mature pour réaliser cette conversion est la pile à hydrogène à membrane échangeuse de protons (PEMFC), mais d'autres systèmes alternatifs émergent. En particulier, les piles à combustible microfluidiques (PCM) ont permis de s’affranchir des problématiques liées à l’utilisation d’une membrane et du stockage gazeux grâce à l’utilisation de réactifs liquides à température et pression ambiante. Les dimensions du canal (1-5 mm de large et 20-100 µm de haut) permettent un écoulement co-laminaire des deux réactifs et de l’électrolyte liquides dans un micro-canal contenant les électrodes. Les PCMs n'ont donc pas de membrane et leurs performances sont dirigées par le transport de charges et de masse.À ce jour, il est difficile de caractériser expérimentalement tous les phénomènes physiques qui ont lieu dans la PCM car les méthodes existantes sont plutôt basées sur la caractérisation électrochimique. Ces méthodes permettent d'avoir une caractérisation globale du système mais ne fournissent pas d'informations précises sur les phénomènes de transport de masse dans le canal. Pour étudier le transport de masse, la modélisation numérique est généralement utilisée et permet de simuler le champ de concentration et les performances de la PCM pour différentes architectures et conditions opératoires. Toutefois, l'utilisation de ces modèles repose sur la connaissance de paramètres in-situ tels que le coefficient de diffusion D et le coefficient de réaction k0. Dans les travaux numériques, ces paramètres sont généralement approximés, ce qui permet une appréhension plutôt qualitative des phénomènes de transport. De plus, ces études numériques n'ont à ce jour pas été vérifiées avec des études expérimentales.Ainsi, le principal verrou scientifique de cette thèse repose sur le développement de méthodes d'imagerie quantitatives pour la caractérisation du champ de concentration dans une PCM en fonctionnement.Pour répondre à ce besoin, une plateforme d'imagerie basée sur la spectroscopie ainsi que trois méthodes de caractérisation ont été développées dans cette thèse. Dans un premier temps, les travaux se sont concentrés sur le développement d'un banc de spectroscopie pour étudier le phénomène d'interdiffusion. Cette étude a permis d'estimer le coefficient de diffusion du permanganate de potassium dans l'acide formique. Ces solutions ont été spécifiquement choisies car ceux sont celle utilisées dans la PCM développées pour la suite de l’étude.Le banc de spectroscopie a ensuite été adapté pour étudier le champ de concentration 2D en régime permanent d'une PCM en fonctionnement. Un modèle analytique du transfert de masse (advection/réaction/diffusion) couplé au champ de concentration 2D a ainsi permis de déterminer le taux de réaction. Les variations de concentration mises en jeu étant parfois très faibles (quelques micro-moles), une autre technique de caractérisation a été mis en place pour diminuer le bruit de mesure.Afin d'améliorer le rapport signal sur bruit, une méthode basée sur la modulation du champ de concentration a été développée. La démodulation du signal a permis de réduire significativement le bruit et des concentrations de 20 µM ont ainsi été estimées. Un modèle analytique décrivant le champ modulé a été établi afin d'implémenter une méthode inverse. La méthode proposée a permis de retrouver le taux de réaction associé à la variation de concentration.En conclusion, les méthodes de caractérisation proposées dans cette thèse permettent d'estimer quantitativement le transfert de masse et la cinétique de réaction à partir du champ de concentration 2D d'une PCM en fonctionnement. Cette technique a été appliquée au PCM, mais elle peut être transférée à un système micrométrique dans lequel les phénomènes de diffusion-advection-réaction ont lieu
Fuel cells are devices that convert the energy stored in an oxidant and a reductant into electricity through electrochemical reactions. The most mature technology for this conversion is the proton exchange membrane fuel cell (PEMFC), but other alternative systems are emerging. In particular, microfluidic fuel cells (MFCs) have overcome the problems associated with the use of a membrane and gas storage by using liquid reagents at ambient temperature and pressure. The dimensions of the channel (1-5 mm wide and 20-100 µm high) allow co-laminar flow of the two liquid reagents and the electrolyte in a microchannel containing the electrodes. Therefore, PCMs do not need membrane to separate reactants and performances are driven by charge and mass transport.Experimental characterization of all the physical phenomena involved in PCMs is difficult because actuals methods are more based on electrochemical characterisation. These methods provide an overall characterisation of the system but they do not give precise information on the mass transport phenomena occurring in the channel. To investigate concentration field, numerical modelling is generally used. Numerical methods evaluate the impact of the geometry or the operating conditions on MFC performances. However, the use of these models relies on the knowledge of in-situ parameters such as the diffusion coefficient D and the reaction rate k0. In numerical studies, these parameters are generally approximated leading to a qualitative understanding of the transport phenomena. Furthermore, these numerical studies have not yet been verified by experimental studies.Thus, the main scientific challenge of this thesis is to develop quantitative imaging methods for characterising the concentration field in an operating PCM.To meet this need, an imaging platform based on spectroscopy and three characterisation methods were developed in this thesis. First of all, the work focused on developing an experimental setup based on spectroscopy to study the interdiffusion phenomenon. This study reports the estimation of the diffusion coefficient of potassium permanganate in formic acid. These solutions were specifically chosen because they are used in the PCM developed for the rest of the study.The imaging plateform was then adapted to study the in operando MFC 2D concentration field in steady-state. An analytical mass transfer model (advection/reaction/diffusion) coupled to the 2D concentration field was used to determine the reaction rate. As the concentration variations involved can be very small (few micro-moles), another characterisation technique was implemented to reduce the measurement noise.To improve the signal-to-noise ratio, a method based on modulation of the concentration field was developed. Demodulation of the signal significantly reduced the noise and concentrations of 20 µM were estimated. An analytical model describing the modulated field was established in order to implement an inverse method. The proposed method made it possible to recover the reaction rate associated with the concentration variation.To conclude, the proposed characterisation methods enable the estimation of the mass transfer and the reaction kinetics using the 2D concentration field from an in operando MFC. This technique has been applied to the MFC, but it can be transferred to a micrometric system in which diffusion-advection-reaction phenomena take place

Dans le domaine du diagnostic in vitro, l'étape d'extraction de micro-organismes à partir d'un échantillon complexe est une étape clé pour permettre l'identification du pathogène responsable d'une infection. Pour les septicémies, cette étape d'extraction est généralement précédée d'une étape de culture, ce qui conduit à une obtention des résultats au bout de plusieurs jours. Un résultat plus rapide (typiquement inférieur à 24h) permettrait d'augmenter le taux de survie des patients, et aurait ainsi une forte valeur ajoutée pour le corps médical. Le but de ces travaux est donc de développer une nouvelle méthode d'extraction et de concentration de pathogènes directement à partir d'un échantillon sanguin, sans étape de culture. Une stratégie en deux modules microfluidiques associés en série est proposée : elle repose sur la modification de la conductivité et de l'osmolarité de l'échantillon dans un premier module, puis sur la capture des micro-organismes par diélectrophorèse dans un second module. L'étude du premier module a permis de déterminer l'impact de la conductivité et de l'osmolarité du milieu sur les propriétés diélectriques des cellules. Deux voies ont ainsi été abordées, afin de diriger les cellules du sang et les micro-organismes vers un milieu de conductivité et d'osmolarité contrôlées : la dilution, et l'utilisation de forces acoustiques. L'étude du deuxième module a ensuite permis de démontrer la possibilité de capturer et concentrer des micro-organismes à partir d'un échantillon hypotonique et faiblement conducteur dans un écoulement microfluidique par diélectrophorèse. L'architecture d'un microsystème dédié a été définie grâce à un modèle numérique, puis validé expérimentalement avec des échantillons sanguins et différents micro-organismes (E. coli, S. epidermidis et C. albicans). La capture générique des micro-organismes est démontrée, et un taux de capture de 97% a été obtenu pour la séparation de \EC, avec une vitesse moyenne de l'échantillon dans le microsystème de 100 à 200 µm.s-1. Enfin, des perspectives d'amélioration sont présentées pour permettre d'effectuer cette étape de séparation sur un gros volume d'échantillon (1 à 10mL) en quelques heures, afin de répondre aux exigences imposées par l'urgence des tests de diagnostic des septicémies.

Cette thèse décrit diverses situations liées au transport fluidique aux nano-échelles. Le premier chapitre est une introduction à la nanofluidique qui contient une revue des longueurs caractéristiques, des forces et des phénomènes présents aux nano-échelles. Le deuxième chapitre est une étude de l'impact de la géométrie sur la perméabilité hydrodynamique d'un nanopore. Inspirée par la forme des aquaporines, cette étude suggère une optimisation possible pour des canaux biconiques. Le troisième chapitre est une étude du remplissage capillaire dans des canaux sub-nanométriques en carbone. Cette étude montre l'importance de la pression de disjonction induite par la structure du fluide sur le remplissage. Le quatrième chapitre est une étude d'une diode nanofluidique, un composant connu pour imiter le comportement d'une diode à semi-conducteur. On montre qu'un fort couplage entre l'eau et la dynamique des ions entraîne une rectification du flux d'eau à l'intérieur de la diode. Le cinquième et dernier chapitre est une étude de l'origine du bruit rose (1=f) communément observé lors des mesures de courant ionique dans les nanopores
This thesis discusses various situations linked to transport at the nanoscale. The first chapter is an introduction to nanofluidics, containing a review of characteristic lengths, forces, or phenomena existing at the nanoscale. The second chapter is a study of the impact of geometry on the hydrodynamic permeability of a nanopore. This study, inspired by the shape of aquaporins, suggests a possible optimisation of permeability for bi-conical channels. The third chapter is a study of capillary filing inside subnanometric carbon channels which highlights the importance of the disjoining pressure induced by the fluid structuring inside the nanochannel. The fourth chapter is a study of nanofluidic diode, a component known to mimic the behaviour of semiconductor diode. The study highlights a strong coupling between water and ion dynamics which leads to a water flow rectification inside the diode. The fifth and last chapter is a study of the origin of commonly observed pink noise (1=f) in ionic current measurements through nanopores

L’infection postopératoire est une complication redoutée tant en chirurgie orthopédique humaine que vétérinaire, pouvant avoir des conséquences lourdes en termes de morbidité, de coûts et de récidives. Son éradication est particulièrement difficile, notamment à cause du développement de biofilms sur les implants utilisés. Les bactéries au sein d’un biofilm sont en effet tolérantes aux antibiotiques, ce qui explique les nombreux échecs thérapeutiques lorsqu’une antibiothérapie seule est utilisée. L’exploration des facteurs influant sur le développement de ces biofilms, en particulier l’impact de contraintes mécaniques fluides et solides auxquelles l’os en cours de cicatrisation est en permanence soumis, permettrait de développer des stratégies thérapeutiques alternatives aux antibiotiques, et de minimiser les risques d’antibiorésistances. L’hypothèse centrale de ce travail a consisté à supposer qu’un stimulus mécanique pouvait modifier la prolifération bactérienne et la formation du biofilm. La première partie de cette thèse s’attache à décrire les aspects cliniques de l’infection bactérienne en chirurgie orthopédique humaine et vétérinaire, ainsi que les mécanismes de formation d’un biofilm. La mécanobiologie sous-jacente au développement d’un biofilm est ensuite discutée dans une approche multi-échelle, de la bactérie au tissu biologique, et les stratégies thérapeutiques complémentaires ou alternatives aux antibiotiques sont présentées. La deuxième partie présente le dispositif expérimental original développé dans cette étude. Un dispositif microfluidique pouvant être soumis à un moment de flexion et permettant la formation d’un biofilm bactérien a été conçu. Ce dispositif a consisté en l’assemblage d’une puce contenant un micro-canal moulé dans du PDMS, et d’une lamelle flexible en PETG. Un système mécanique générant une force de flexion cyclique de fréquence et d’amplitude contrôlables (0 – 2.5 Hz et 0 – 3.10 mm, respectivement) a également été conçu. Les équations gouvernant la réponse cinématique du dispositif ont été fournies. La troisième partie du document présente et discute les résultats préliminaires obtenus dans l’étude in vitro. Afin de quantifier le développement du biofilm, les puces en PDMS ont été inoculées avec une souche de P. aeruginosa contenant un plasmide exprimant une protéine fluorescente. Les dispositifs microfluidiques ainsi inoculés ont ensuite été soumis à un moment de flexion (condition dynamique), et la réponse statique a été utilisée comme contrôle. La microscopie en épifluorescence a permis de comparer la fluorescence des puces dynamiques à celle des puces statiques. Les résultats préliminaires ont montré que la flexion cyclique pouvait impacter le développement des biofilms. D’une part, les biofilms se sont formés de façon aléatoire le long des micro-canaux soumis à la flexion, contrairement à ceux formés dans les micro-canaux statiques pendant ce même laps de temps. D’autre part, la taille et l’intensité de la fluorescence des biofilms formés ont également été impactées par la flexion, l’intensité restant inchangée entre les images capturées à 24h et 48h mais la taille augmentant. En comparaison avec les résultats statiques, cette dernière observation suggère que la flexion pourrait altérer la composition des biofilms, en particulier en diminuant la concentration bactérienne. En conclusion, la méthodologie proposée dans ce travail de thèse tend à valider l’hypothèse initiale au regard de la sensibilité mécanobiologique des biofilms bactériens, en particulier sous stimuli mécaniques à l’état d’équilibre. Ce document propose un cadre expérimental reproductible permettant d’évaluer l’impact d’un cycle dynamique sur le développement d’un biofilm bactérien, et éventuellement de tester des stratégies thérapeutiques dans un environnement contrôlé
Postoperative infection is a dreaded complication in human and veterinary orthopedics which can be associated with significant consequences in terms of morbidity, costs and recurrence. Its eradication is difficult, especially due to the development of biofilms on implants used. As a matter of fact, bacteria within a biofilm are tolerant to antibiotics, thus explaining the high number of therapeutic failures when antibiotic therapy alone is used. Investigating factors that could affect biofilm development, and particularly exploring the impacts of the solid and fluid mechanical stresses to which a healing bone is permanently submitted, could allow developing therapeutic strategies alternative to antibiotics and minimize the risk of antibiotic resistances. The main hypothesis of this work consisted in supposing that a mechanical stimulus could modify bacterial proliferation and biofilm formation. The first part of this work is based on describing the clinical aspects of bacterial infection in human and veterinary orthopedic surgery, as well as the mechanisms of biofilm formation. A multiscale approach of the mechanobiology underlying biofilm development is then discussed, starting from the bacterium to reach the biological tissue, and the therapeutic strategies alternative or additional to antibiotics are presented. In the second part, the original experimental workbench developed in this study is presented. A microfluidic device capable of sustaining a bending moment while still allowing bacterial biofilm growth was conceived. It consisted in a chip containing a microchannel molded into PDMS bonded to a flexible PETG coverslip. A mechanical system capable of generating a cyclic bending moment of controlled frequency and amplitude (0 – 2.5 Hz and 0 – 3.10 mm, respectively) was also conceived. The equations governing the kinematical response of the device were provided. The third part of the document presents and discusses the preliminary results of the in vitro study. To quantify biofilm development, PDMS chips were inoculated with a strain of P. aeruginosa containing a fluorescent protein-expressing plasmid. The microfluidic devices thus inoculated were then submitted to a bending moment (dynamic condition), and the static response was used as control. Imaging with epifluorescence microscopy was performed to compare fluorescence in the static chips with that in the dynamic chips. Preliminary results showed that cyclic bending may influence biofilm development. On the one hand, biofilms formed rather randomly along the microchannels submitted to bending, contrary to those formed in the static microchannels during the same period of time. On the other hand, biofilms size and fluorescence intensity were also affected by bending, with intensity remaining unchanged between microscopic images obtained at 24h and at 48h and size increasing. Compared to static results, this latter observation suggests that bending may alter biofilm composition, especially by decreasing bacterial concentration. In conclusion, the methodology presented in this thesis tends towards validating the initial hypothesis regarding the mechanobiological susceptibility of biofilms, in particular under steady state dynamical stimuli. This work suggests a reproducible experimental framework allowing to assess the impact of a dynamic cycle on bacterial biofilm development, and eventually to test therapeutic strategies in a controlled environment

Les progrès récents de la microfluidique, la biologie synthétique, la microscopie automatisée rendent aujourd'hui possible le contrôle externe de l'expression des gènes en temps réel. Parmi les défis que devra relever le domaine du contrôle externe et temps-réel de l'expression des gènes, se trouve la possibilité de contrôler des réseaux de régulation génique aux dynamiques complexes et multi-stables et le contrôle de multiples gènes en parallèle. Pour faire avancer le domaine dans cette direction nous avons étudié la contrôlabilité d'un réseau bistable composé de deux gènes, appelé genetic toggle switch, ou bascule génétique, autour de son point d'équilibre instable sur de longues périodes. Dans ce document, nous présentons la mise en place d'une plateforme de contrôle externe de l'expression des gènes en cellule unique, ainsi que le développement d'un châssis cellulaire bactérien et d'une librairie de circuits de bascules génétiques à contrôler. Nous utilisons la plateforme pour diriger et maintenir notre système génétique dans sa région d'instabilité avec des techniques de stabilisation à la fois en boucle ouverte et en boucle fermée. Nous démontrons non seulement que les plateformes de contrôle in silico peuvent être utilisées pour contrôler un système génétique dans un état hors-équilibre, nous démontrons aussi la possibilité de maintenir une population de cellules dans leur région d'instabilité à l'aide de stimulations périodiques en boucle ouverte. Ces résultats suggèrent l'émergence de régimes de stabilité différents dans des réseaux de régulation génique lorsqu'ils sont soumis à des environnements fluctuants, et peuvent fournir de nouvelles perspectives dans l'étude de la prise de décision cellulaire. Nous présentons aussi une nouvelle approche pour l'analyse d'images de microscopie qui exploite l'information cachée dans plusieurs plans focaux autour du spécimen au lieu d'utiliser seulement un seul plan focal. L'objectif de cette méthode est d'identifier automatiquement les différentes parties d'une image à l'aide de techniques d'apprentissage-machine inspirées de l'imagerie hyperspectrale. La méthode facilite la segmentation de l'image et peut être facilement adaptée à différents organismes
Recent progresses in microfluidics, synthetic biology and microscopy automation now make it possible to control gene expression externally and in real time. Among the challenges facing the field of external real-time control of gene expression is the control of intricate, multistable gene regulation networks as well as the control of several target genes at the same time. To advance the domain in this direction we studied the controllability of a simple bistable two-genes network, the so-called genetic toggle switch, in the vicinity of its unstable equilibrium point for extended periods of time. Throughout this document, we present the development of a custom control platform for external control of gene expression at the single-cell level as well as a bacterial cellular chassis and a library of toggle switch genetic circuits for us to control. We use the platform to drive and maintain our genetic system in its region of unstability with both closed-loop and open-loop strategies. Not only do we demonstrate that in silico control platforms can control genetic systems in out-of-equilibrium states, we also notably maintain a population of cells in their unstable area with open-loop periodic stimulations. These results suggest the possible emergence of different regimes of stability in gene regulation networks submitted to fluctuating environments, and can potential insights in the study of cellular decision making. We also introduce a new approach for microscopy image analysis which exploits information hidden in several focal planes around the specimen instead of using only a single-plane image. The objective of this method is to automatically label different parts of an image with machine learning techniques inspired by hyperspectral imaging. The method is then shown to facilitate segmentation and be easily adaptable to various different organisms

Le cancer de l’ovaire constitue un véritable enjeu de santé public. Les nouveaux traitements se heurtent par ailleurs à des taux d’échec très élevés. Ceci s’explique notamment pour le manque de fiabilité des modèles précliniques classiques tels que la culture cellulaire en 2D. De nouveaux outils basés sur la culture cellulaire en 3D ont alors fait leur apparition tels que les sphéroïdes et les organoïdes. Or ces modèles ont leurs propres limites (coûts, difficultés d’application). La bio-impression 3D est une nouvelle approche permettant de créer des modèles tumoraux de manière contrôlée et reproductible. Néanmoins, elle a encore très peu été appliquée au cancer ovarien. En plus de la troisième dimension, il est important de prendre en compte les conditions dynamiques associées à l’environnement tumoral. Ceci est possible depuis quelques années grâce à la technologie des cancers sur puce basée sur la microfluidique. Cependant, cette technologie ne permet pas, à l’heure actuelle, de simuler le trajet vasculaire du médicament en amont de son interaction avec le tissu tumoral. Dans ce projet de thèse, nous avons souhaité créer un modèle tridimensionnel et dynamique du cancer ovarien en combinant les approches de bio-impression 3D et de microfluidique. Dans un premier temps, la bio-impression 3D a été utilisée pour créer la structure tumorale à proprement parlé. Pour y parvenir, nous avons formulé un hydrogel de gélatine et d’alginate de sodium dans lequel nous avons intégré des cellules cancéreuses ovariennes (SKOV-3) et des fibroblastes cancéreux (MeWo). Le tissu tumoral bio-imprimé a ensuite été caractérisé par différentes techniques pour démontrer sa viabilité et sa pertinence biologique. Sa réponse au cisplatine a également été évaluée. Dans un second temps, nous avons intégré le modèle tumoral bio-imprimé au sein d’un support microfluidique. Le rôle de ce support était de permettre la mise en culture du tissu bio-imprimé sous flux physiologique. Il devait également permettre de simuler le trajet vasculaire du médicament avant son interaction avec le tissu tumoral. Par la suite, nous avons fait appel à la simulation en mécanique des fluides pour concevoir une version améliorée du premier système. L’objectif étant de pouvoir tester, en même temps, plusieurs concentrations différentes de médicament sur un même dispositif microfluidique. Ce projet de thèse a démontré la capacité de la bio-impression 3D à créer des tissus tumoraux ovariens viables et fonctionnels. Il a par ailleurs ouvert des perspectives de recherche très intéressantes par rapport aux possibilités de combiner la bio-impression 3D et de la microfluidique en vue d’améliorer la modélisation préclinique des cancers ovariens
Ovarian cancer is a major public health issue. Moreover, new treatments still face very high failure rates. This is mainly due to the unreliability of conventional preclinical models such as 2D cell culture. Thus, new tools based on 3D cell culture have emerged such as spheroids and organoids. However, these models have their own limitations (cost, difficulty of application). 3D bioprinting is a new approach to create tunable and reproducible tumor models. However, very few bioprinted tumor models have been reported so far. Besides the “third dimension”, it is important to consider the dynamic conditions of the tumor environment. This has been possible for some years now thanks to microfluidics-based cancer-on-a-chip technology. However, this technology currently does not simulate the drug vascular transport before its interaction with the tumor cells. In this PhD project, we set out to create a dynamic, three-dimensional model of ovarian cancer by combining 3D bioprinting and microfluidics. First, 3D bioprinting was used to create the tumor structure itself. For that, we formulated a bio-ink comprising SKOV-3 ovarian cancer cells and MeWo cancer fibroblasts embedded in a gelatin – alginate hydrogel. The bioprinted tumor structures were then characterized by various techniques to demonstrate their viability and biological relevance. Their response to anticancer drug cisplatin was also assessed. In the second step, we integrated the bioprinted tumor model into a microfluidic support for culture under physiological flow. This support was also intended to simulate the drug's vascular transport prior to interaction with the tumor tissue. We then used computational fluid dynamics to design an improved version of the first system. The aim of this improved version was to simultaneously assess multiple drug concentrations. This PhD project demonstrated the ability of 3D bioprinting to create viable and functional ovarian tumor models. It has also brought interesting research prospects with regard to the possibilities of combining 3D bioprinting and microfluidics to improve preclinical modeling of ovarian tumors

L'objet de ce travail de recherche est d'estimer le rôle des structures tourbillonnaires pour améliorer l'efficacité des refroidisseurs microfluidiques. Cette problématique a été étudiée en deux parties. L'objectif de la première partie est de quantifier les transferts thermiques engendrés par des tourbillons lors de leur interaction avec une paroi chaude. Ceci a été réalisé numériquement en deux étapes. La première étape a pour vocation d'améliorer la compréhension des processus de transferts thermiques d'un tourbillon transporté dans un écoulement laminaire. Deux processus majeurs ont été mis en avant : l'advection des particules froides vers la paroi chaude et le mélange par advection.Suite à ces observations, les transferts thermiques induis par une structure tourbillonnaire ont été optimisés en fonction de ses caractéristiques initiales. Cette optimisation a permis d'augmenter l'efficacité d'un système de refroidissement microfluidique de plus de 50% dans le cas d'une allée tourbillonnaire.La seconde partie couple une étude expérimentale à un modèle numérique. Cette étude se focalise sur le formation des structures tourbillonnaires à l'échelle micrométrique. Les structures tourbillonnaires sont générées par le couplage d'un micro jet synthétique à un écoulement transverse. Dans cette configuration, plusieurs topologies de structures tourbillonnaires ont été observées en fonction du nombre de Reynolds du jet et de l'écoulement. Ces différentes topologies ont été cartographiées en fonction des nombres de Reynolds du système. Finalement, pour une certaine topologie de tourbillon il a été possible de lier leurs caractéristiques aux paramètres de contrôle du système. Grâce à cette relation, il est possible de contrôler le type de structures formées par le système de refroidissement
The purpose of this research paper is to determine the role of vortical structures in the improvement of microfluidic cooling systems’ efficiency.This study is presented in two parts. The aim of the first part is to measure heat transfers produced by vortices while interacting with a hot wall. This part was carried out numerically following two steps. The aim of the first step was to improve the understanding of the processes involved during heat transfers in a vortex convected in a laminar flow. As a result, two major processes can be highlighted : the advection of cold particles to the hot wall and an advective mixing. Following these observations, heat transfers produced by a vortical structure were optimized in accordance with its initial characteristics. Consequently, the optimization of heat transfers increased microfluidic cooling systems’ efficiency by more than 50% in the case of vortex streets.The second part combines an experimental study with a numerical model. This study focuses on the creation of vortical structures on a microscopic scale. For this purpose, vortical structures are produced by combination of a synthetic micro jet with a crossflow. The outcome is that several topologies of vortical structures can be observed depending on the Reynolds number of the jet and the crossflow. These topologies can be mapped according to the Reynolds numbers of the system. As a result, a connection can be made between characteristics of some topologies of vortices and control parameters of the system. As a conclusion, the type of structures produced by the cooling system can be controlled

In most applications concerning a fluid flowing over a solid surface, the no-slip velocity condition was widely used because it is simple and produces the results in agreement with experiments. However, this dynamical boundary condition is not appropriate when the flow under consideration is at a micro or nano length scale.In order to model this effect at the macroscopic scale, the Navier boundary conditions have been introduced, with the slip length as a parameter. When the fluid is a gas, this length is related to the tangential momentum accommodation coefficient (TMAC) and the mean free path, according to the Maxwell model. The aim of this work is to systematically address this model using a multi-scale approach and to extend it by incorporating both the morphology and the anisotropy of a surface. The thesis consists of five chapters. In Chapter 1, the basics of the kinetic theory of gases, the Boltzmann equation and related solutions (Navier-Stokes-Fourier, Burnett, Grad, Direct Simulation Monte Carlo ...) are briefly presented. The models of gas-wall interaction and slip models introduced in the fluid mechanics are also recalled. The chapter ends with a description of the computational method used for the molecular dynamics simulations performed in this work. Chapter 2 is dedicated to the development of a simple technique to simulate the pressure driven flows. The principle is to rely on the atomistic formulas of the stress tensor (Irving Kirkwood, Method of Plane, Virial Stress) and to modify the periodic conditions by maintaining the difference between the kinetic energy of the ingoing and outgoing particles of the simulation domain. Several types of channels are studied with this technique. The results (temperature, velocity ...) are discussed and compared. Chapter 3 deals with the study of the gas-wall interaction potential by the ab-initio method. The code CRYSTAL 09 is used to obtain the potential between an atom of argon (Ar) and a surface of platinum (Pt) <111> as a function of distance. Then the gas-wall potential is decomposed into binary potential and approached by an analytic function. This function is then implemented in a MD code to simulate the gas-wall collisions and determine the TMAC coefficient. In Chapter 4, the effect of morphology is studied. The multi-body Quantum Sutton Chen (QSC) potential is used for Pt <100> solid and the binary potential proposed in the previous chapter for the Ar-Pt couple is employed. The QSC potential is needed to reproduce the surface effects that affect the final results. Different surfaces are treated : smooth, nanostructured surface and, random surface obtained by Chemical vapor deposition (CVD). The TMAC is determined using a generalized approach, i.e. depending on the angle of incident flux of gas atoms on the surface. The surface anisotropy and the scattering kernel are also examined. In Chapter 5, we propose a model of anisotropic slip for fluids based on accommodation tensor. The model is obtained by the analytical approximate calculations developed in the framework of the kinetic theory. We thus generalize Maxwell's equation by showing that the slip length tensor is directly related to the accommodation tensor. The model is in good agreement with the MD results. Thanks to our MD simulations, we develop a suitable technique for reproducing the anisotropy of the accommodation tensor. The thesis ends with a conclusion section in which we suggest some perspectives for a continuation of this work

La microfluidique est une technologie récente dont le principal avantage est de pouvoir miniaturiser le phénomène étudié, quelque soit le domaine (énergétique, chimie, biologie...). Cependant les techniques de mesures (vitesses, températures...) au sein des systèmes microfluidiques sont souvent complexes à mettre en oeuvre. C'est pourquoi il est important de mettre en place un nouvel outil de mesure efficace et fournissant des informations à l'échelle de ces microsystèmes. La Thermographie InfraRouge (TIR) est un moyen puissant de mesurer des champs de températures, qui peuvent ensuite être utilisés pour estimer des propriétés thermo-physiques. Le premier objectif de ce travail de thèse est donc de développer un corps de méthodes expérimentales et numériques couplant la TIR et la microfluidique dans le but d'estimer des paramètres fluidiques et thermiques. Une procédure expérimentale originale ainsi que des méthodes inverses à un paramètre ont été développées. Toutes les méthodes développées ont été testées et validées sur des champs de températures simulés numériquement. Les mesures expérimentales ont permis de cartographier et d'estimer quantitativement des paramètres tels que la vitesse, la diffusivité thermique et des sources de chaleur. Le deuxième objectif est de tester les méthodes développées sur des applications microfluidiques concrètes. Ces tests ont aboutis à d'excellents résultats tels que la mesure d'enthalpie de réaction chimique en microréacteurs, ainsi que l'étude de la cristallisation de l'eau en microcanal.