Tesis sobre el tema "Processus microfluidiques"

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

La mise en place d’études d’association pangénomiques (GWAS) a permis une avancée majeure pour l’identification de nouveaux facteurs de susceptibilité génétique de la maladie d’Alzheimer (MA). En revanche, ces analyses réalisées sans a priori ne permettent pas de déterminer le rôle de ces gènes dans le processus physiopathologique de la MA. Dans ce contexte, seule la réalisation d’analyses dites « analyses post-GWAS » peut préciser les mécanismes moléculaires impliquant ces gènes. Le laboratoire a donc entrepris d’identifier quels sont, parmi les facteurs génétiques caractérisés par les GWAS, ceux dont la variation d’expression module le métabolisme de l’APP. De plus, notre modèle nous a permis d’étudier l’implication potentielle des micro-ARNs (miRs) dans la dérégulation de ces gènes.Dans ce contexte, nous avons pu montrer que le miR-4504, qui est surexprimé dans le cerveau des patients atteints de la MA par rapport aux témoins, diminue l’expression du gène FERMT2, facteur de susceptibilité génétique de la MA. Nos résultats montrent que cette sous-expression serait dépendante de la présence d’un variant (rs7143400) localisé dans le 3’UTR de FERMT2 qui entraîne alors une modulation du métabolisme de l’APP et une augmentation de la sécrétion du peptide Aβ.Dans ce projet, j’ai pu montrer que les effets de FERMT2 sur ce métabolisme nécessitent son interaction directe avec l’APP. De plus, l’utilisation du modèle de culture primaire de neurones en chambres micro-fluidiques m’a permis d’étudier les fonctions neuronales du complexe FERMT2/APP. J’ai ainsi pu identifier que cette interaction FERMT2/APP participe à la régulation de la croissance axonale et à la synaptogenèse. Finalement, nos analyses de la potentialisation à long terme dans le cerveau de souris, pour lesquelles une sous-expression de FERMT2 a été induite, montrent une diminution de la plasticité synaptique ; mécanisme pouvant être à l’origine de l’effet délétère de la baisse d’expression de FERMT2 dans les neurones et dans le processus physiopathologique de la MA.En conclusion, l’ensemble de ces résultats suggère le rôle du facteur de risque FERMT2, régulé par la présence du variant fonctionnel rs7143400 et du miR-4504 dans le processus physiopathologique de la MA en conduisant à des altérations synaptiques de façon dépendante de l’expression d’APP. Ce travail permettrait, à terme, de mieux comprendre le processus physiopathologique conduisant à la MA et de caractériser de nouveaux mécanismes impliqués dans le fonctionnement synaptique
The establishment of genome-wide association study (GWAS) constitutes a major advance for the identification of new genetic susceptibility factors of Alzheimer’s Disease (AD). In contrast with the target gene approach, these analyses are done sans a priori and do not allow us to determine the role of the identified genes in the pathophysiological process of AD. In this context, only performing "post-GWAS analyses" can explain the molecular processes involving these genes. Our laboratory therefore aimed to identify the genetic risk factors identified by GWAS whose expression levels impact the APP metabolism. Moreover, our model allowed us to study the potential involvement of micro-RNAs (miRs) in the dysregulation of the expression of these genes.In this context, we showed that miR-4504, which is overexpressed in the brains of AD patients compared with controls, decreases the expression of FERMT2, a genetic susceptibility factor of AD. Our results show that FERMT2 under-expression is dependent on the presence of a variant (rs7143400) localized in the 3'UTR of FERMT2, which then leads to the modulation of the APP metabolism and the subsequent increase in Aβ peptide secretion.In this project, I was able to show that the effects of FERMT2 on APP metabolism require its direct inter-action with APP. In addition, using a model of primary neurons cultured in microfluidic devices enabled me to study neuronal functions of the FERMT2/APP complex. I was able to determine that FERMT2/APP interaction contributes to the regulation of axonal growth and synaptogenesis. Finally, by analyzing the long-term potentiation in the brains of mice in which FERMT2 under-expression was induced, we show a decrease in synaptic plasticity – potentially the underlying mechanism of the deleterious effect of decreased FERMT2 expression in neurons and of the pathophysiological process of AD.In conclusion, these results suggest that the genetic risk factor FERMT2, regulated by the presence of the functional variant rs7143400 and miR-4504, participates in the pathophysiological process of AD via synaptic alterations in an APP-dependent manner. This work would ultimately lead to a better understanding of the pathophysiological process leading to AD and help characterize new mechanisms involved in synaptic functions

Les mécanismes de formation et dissociation d’hydrates de cyclopentane (CP), qui forment á pression ambiante et á des températures entre 0ºC et 7ºC, ont été observés dans/sur/proche des gouttes d’eau immergées dans du CP á des échelles qui vont du micron jusqu’au millimètre. Plusieurs techniques d’observation ont été utilisées, telles que la macrophotographie et la microscopie optique en champ clair, par contraste interférentiel différentiel (CID), par fluorescence et par réflectance confocale. Des substrats hydrophiles et hydrophobes ont été utilisés. Dans une première série d’expériences, un procédé millifluidique simple a été mis au point. Il permet de générer, stocker et surveiller simultanément une centaine de gouttelettes de même volume (de l’ordre de μl), régulièrement espacées. Elles sont séparées par la phase ‘invité’ (CP) dans un tuyau en polymère fluoré (PFA) transparent. Chacune d’elles se comporte comme un réacteur indépendant. Une vision sur l’effet mémoire est obtenue en menant des mesures statistiques sur la nucléation des hydrates quand les gouttes d’eau sont refroidies au-dessous de 7°C. Cette méthode permet aussi de visualiser des événements dans des gouttes individuelles, tels que la naissance et la croissance de l’hydrate (surtout lorsqu’un additive tel qu’un inhibiteur est rajouté dans l’eau), ainsi que la formation d’une émulsion de CP dans l’eau pendant la dissociation de l’hydrate. Dans une deuxième série d’expériences, une seule goutte d’eau est posée ou pendue d’un substrat en verre et immergée dans du CP. Elle est observée par microscopie sous des séquences différentes de refroidissement – échauffement. Il a été observé que la cristallisation d’hydrates dépend fortement du sous-refroidissement. Deux nouveaux phénomènes ont été observés:(i) la propagation d’un « halo » d’hydrate le long de l’interface verre/CP depuis la ligne de contact de la goutte d’eau.(ii) cristallisation de l’hydrate dans une émulsion 2D de CP dans l’eau.Les deux types d’outils développés dans cette thèse ouvrent des nouvelles perspectives pour élucider les mécanismes de formation et dissociation d’hydrates en présence d’additives (promoteurs et inhibiteurs) et en présence d’un substrat minéral. Les applications comprennent les hydrates dans des environnements sédimentaires, séparation de gaz, etc
The mechanisms of formation and dissociation of cyclopentane (CP) hydrates, which form at ambient pressure and temperatures between 0°C and 7°C, have been observed in/on/near water drops immersed in CP at scales ranging from a few nanometers to the millimeter by a variety of techniques including macrophotography and optical microscopy under various modes: bright field, differential interference contrast (DIC), fluorescence and confocal reflectance. The substrates used are either hydrophobic or hydrophilic. In a first series of experiments, a simple millifluidic method is implemented. It allows to generate, store and monitor at the same time almost a hundred of regularly-spaced water droplets of equal volume (in the µl range) separated by the guest (CP) phase in a transparent fluorinated polymeric (PFA) (hydrophobic) tubing, each droplet behaving as an independent reactor for hydrate crystallization. Insights into the ‘memory effect’ are gained by measuring the statistics of hydrate nucleation events in these reactors when chilling below 7°C the water drops. The method also allows the visualization of single-drop events such as hydrate birth and growth, and the formation of a CP-in-water emulsion upon hydrate melting, especially when an additive such as an inhibitor is added to the water. In a second series of experiments, a single water droplet in CP, either sitting or hanging from a glass substrate, is observed by microscopy under various cooling and heating sequences. Hydrate crystallization (nucleation and growth) is observed to strongly depend on subcooling at the water drop/CP interface. Two novel phenomena are visualized in detail:(i) the propagation, from the contact line of the water drop, of a hydrate halo along the glass/CP interface. (ii) hydrate crystallization in a two-dimensional CP-in-water emulsion.The two types of tools developed in this thesis open new perspectives for elucidating the mechanisms of hydrate formation and dissociation in presence of additives (promoters and inhibitors) and in the presence of a mineral substrate. Applications include hydrates in sedimentary environments, flow assurance, gas separation, etc

Dans les dernières 15 ans, la recherche biomédicale a exploré en profondeur l’utilisation de nanoparticules pour la délivrance ciblée de médicaments. Parmi plusieurs matériaux étudiés, la silice mésoporeuse représente une plateforme exceptionnelle pour ce type d’applications puisque elle est biocompatible et capable d’être chargé avec une quantité élevée de médicament, tout en étant facile à synthétiser et à fonctionnaliser. La connaissance des interactions entre nanoparticules de silice et environnement biologique est nécessaire pour concevoir des vecteurs thérapeutiques efficaces et pas toxiques. Cet étude a développé une nouvelle méthode d’analyse in situ pour suivre les interactions entre silice mésoporeuse et fluides biologiques réels (sérum et sang), employant une cellule d’analyse microfluidique et l’ellipsométrie en réflexion totale interne. Nous avons ainsi réalisé le suivi dynamique de la dégradation de vecteurs models à base de silice poreuse structuré dans une solution tampon à pH physiologique et une solution concentré de protéines. Ces analyses ont permis d’évaluer l’influence de la structure poreuse, de l’adsorption de protéines sur la surface et de la vitesse du flux sur la dissolution de la silice mésoporeuse
Dans les dernières 15 ans, la recherche biomédicale a exploré en profondeur l’utilisation de nanoparticules pour la délivrance ciblée de médicaments. Parmi plusieurs matériaux étudiés, la silice mesoporeuse représente une plateforme exceptionnelle pour ce type d’applications puisque elle est biocompatible et capable d’être chargé avec une quantité élevée de médicament, tout en étant facile à synthétiser et à fonctionnaliser .La connaissance des interactions entre nanoparticules de silice et environnement biologique est nécessaire pour concevoir des vecteurs thérapeutiques efficaces et pas toxiques. Cet étude a développé une nouvelle méthode d’analyse in situ pour suivre les interactions entre silice mesoporeuse et fluides biologiques réels (serum et sang), employant une cellule d’analyse microfluidique et l’ellipsometrie en réflexion totale interne. Nous avons ainsi réalisé le suivi dynamique de la dégradation de vecteurs models à base de silice poreuse structuré dans une solution tampon à pH physiologique et une solution concentré de protéines. Ces analyses ont permis d’évaluer l’influence de la structure poreuse, de l’adsorption de protéines sur la surface et de la vitesse du flux sur la dissolution de la silice mesoporeuse

Dans les dernières 15 ans, la recherche biomédicale a exploré en profondeur l’utilisation de nanoparticules pour la délivrance ciblée de médicaments. Parmi plusieurs matériaux étudiés, la silice mésoporeuse représente une plateforme exceptionnelle pour ce type d’applications puisque elle est biocompatible et capable d’être chargé avec une quantité élevée de médicament, tout en étant facile à synthétiser et à fonctionnaliser. La connaissance des interactions entre nanoparticules de silice et environnement biologique est nécessaire pour concevoir des vecteurs thérapeutiques efficaces et pas toxiques. Cet étude a développé une nouvelle méthode d’analyse in situ pour suivre les interactions entre silice mésoporeuse et fluides biologiques réels (sérum et sang), employant une cellule d’analyse microfluidique et l’ellipsométrie en réflexion totale interne. Nous avons ainsi réalisé le suivi dynamique de la dégradation de vecteurs models à base de silice poreuse structuré dans une solution tampon à pH physiologique et une solution concentré de protéines. Ces analyses ont permis d’évaluer l’influence de la structure poreuse, de l’adsorption de protéines sur la surface et de la vitesse du flux sur la dissolution de la silice mésoporeuse
Dans les dernières 15 ans, la recherche biomédicale a exploré en profondeur l’utilisation de nanoparticules pour la délivrance ciblée de médicaments. Parmi plusieurs matériaux étudiés, la silice mesoporeuse représente une plateforme exceptionnelle pour ce type d’applications puisque elle est biocompatible et capable d’être chargé avec une quantité élevée de médicament, tout en étant facile à synthétiser et à fonctionnaliser .La connaissance des interactions entre nanoparticules de silice et environnement biologique est nécessaire pour concevoir des vecteurs thérapeutiques efficaces et pas toxiques. Cet étude a développé une nouvelle méthode d’analyse in situ pour suivre les interactions entre silice mesoporeuse et fluides biologiques réels (serum et sang), employant une cellule d’analyse microfluidique et l’ellipsometrie en réflexion totale interne. Nous avons ainsi réalisé le suivi dynamique de la dégradation de vecteurs models à base de silice poreuse structuré dans une solution tampon à pH physiologique et une solution concentré de protéines. Ces analyses ont permis d’évaluer l’influence de la structure poreuse, de l’adsorption de protéines sur la surface et de la vitesse du flux sur la dissolution de la silice mesoporeuse

Les travaux de thèse portent sur le développement de méthodologies d'élaboration de dispositifs à base de polymères PDMS, destinés à des applications médicales. Ce travail s'appuie sur deux volets applicatifs : le développement de matrices de micro-capteurs capacitifs souples portables destinées à la mesure de champs de pression dans un contexte de suivi d'appuis du corps humain, et le développement d'une technique de collage réversible de composants PDMS dans une application de laboratoire sur puce en micro-fluidique. Dans ces travaux, les propriétés mécaniques du PDMS sont déterminées expérimentalement et à l'aide de modélisations numériques, afin d'identifier les éléments essentiels du dimensionnement des micro-capteurs capacitifs. Différents types de micro-capteurs de pression souples sont réalisés par un procédé de microfabrication à transfert de films. Ce procédé est optimisé à chacune de ses étapes afin d'obtenir un procédé fiable et reproductible. Les caractérisations électromécaniques montrent que les capteurs fabriqués sont opérationnels et adaptés aux applications médicales visées. Les capteurs de pression normale ont une variation de capacité de 3 à 17 % à 10 N - 300 kPa, adaptée à une application dentaire. Les capteurs à trois axes de sensibilité ont une résolution spatiale de 25 mm2, et une sensibilité de 4 % à 3 N en compression et 1,4 % par Newton en cisaillement pur, et sont adaptés à une application de mesure de la pression plantaire destinée à l'analyse de la marche et la détection des hyper-appuis. Par ailleurs, deux méthodes différentes permettant le collage réversible de composants PDMS sont développées. Les dispositifs microfluidiques fabriqués avec ces méthodes peuvent être utilisés avec jusqu'à 5 cycles de collage/décollage, et travailler à débit élevé (500 µL/min, correspondant à une pression de 148 kPa). Les méthodologies développées dans ces travaux ouvrent la voie à l'élaboration de dispositifs à base de PDMS performants et optimisés pour répondre à des cahiers des charges exigeants pour des applications biomédicales ciblées
This thesis focuses on the development of methodologies dedicated to the development of PDMS-based devices, which are required in medical applications. Two objective applications are considered in this work: i) the development of wearable flexible micro-sensors arrays for measuring pressure fields on human body and ii) the development of a reversible bonding technique of PDMS components dedicated to microfluidic chips. In this work, the mechanical properties of PDMS are determined using experiments and computations; they allow identifying the essential elements of the design of capacitive micro-sensors. The manufacturing process is reliable and reproducible, and different types of flexible pressure sensor have been fabricated by a film transfer process. Electromechanical characterizations show that the fabricated sensors are fully operational and suitable for the intended applications. Normal pressure sensors have a capacitance change ranging from 3 to 17% under a 10 N - 300 kPa - load, which is suitable for dental applications. Fabricated triaxial sensor arrays have a spatial resolution of 25 mm2, and a sensitivity of 4% under 3 N load in compression, and 1.4% / N under shear. These features are suitable for plantar pressure measurements required in gait analyses or for the detection of over-pressures. Besides, two different process methods for the reversible bonding of PDMS devices are developed. The microfluidic devices fabrcitated with these methods can be used within up to 5 “bonding & peeling off” cycles, and can be working at high microfluidic flows (500 µL / min, corresponding to a pressure of 148 kPa). The methodologies developed in these works open the way to the design and fabrication of PDMS-based devices suitable for demanding biomedical applications

Polymer foams belong to the solid foams family which are versatile materials, extensively used for a large number of applications such as automotive, packaging, sport products, thermal and acoustic insulators, tissue engineering or liquid absorbents. Composed of air bubbles entrapped in a continuous solid network, they combine the properties of the polymer with those of the foam to create an intriguing and complex material. Incorporating a foam into a polymer network not only allows one to use the wide range of interesting properties that the polymer offers, but also permits to profit from the advantageous properties of foam including lightness, low density, compressibility and high surface-to-volume ratio. Generally, the properties of polymer foams are strongly related to their density and their structure (bubble size and size distribution, bubble arrangement, open vs closed cells). Having a good control over foam properties is thus achieved by first controlling its density and structure.We developed a technique in which solid foams are generated essentially in a two-step process: a sufficiently stable liquid foam with well-controlled structural properties is generated in a first step, and then solidified in a second one. With such a two-step approach, the generation of solid foams can be divided into a number of well-separated sub-tasks which can be controlled and optimised separately. The transition from liquid to solid state is a sensitive issue of a great importance and therefore needs to be controlled with sufficient accuracy. It is essentially composed of three key steps: foam generation, mixing of reactants and foam solidification and requires the optimisation of foam stability in conjunction with an appropriate choice of both foaming time and solidification time. Furthermore, a good homogeneity of the polymer foam calls for a good mixing of the different reactants involved in the foaming and the polymerisation.A particularly powerful demonstration of the advantages of this approach is given by solidifying monodisperse liquid foams generated using millifluidic technique, in which all bubbles have the same size. In a liquid foam, equal-volume bubbles self-order into periodic, close-packed structures under gravity or confinement. As such, monodisperse foams provide simultaneous control over the size and the organisation of the pores in the final solid with an accuracy which is expected to give rise to a better understanding of the structure-property relationship of porous solids and to the development of new porous materials.We therefore aim to explore the new spectrum of properties, which polymer foams offer when we introduce an ordered structure into them since the most widely used polymer foams nowadays have disordered structures. The goal of our study is to demonstrate the feasibility of this two-step approach for different classes of polymers, including biomolecular hydrogel, superabsorbent polymer and polyurethane.For the generation of the structured polymer foams we use Lab-on-a-Chip technologies which allow the "shrinking" of large-scale set-ups to micro/millimetic scale. It permits also to perform "flow chemistry" in which the various liquid and gaseous ingredients of the foam are injected and mixed in a purpose-designed network of the micro- and millifluidic Lab-on-a-Chip. We adjust this approach according to the requirements of each polymer system, i.e. the foaming and the mixing techniques are chosen to fit the properties of each system, and can be exchanged to fit the properties of the studied systems.

Les travaux menés dans le cadre de cette thèse sont focalisés sur les procédés deréplication permettant la transformation des mélanges en composants par les technologiesen séquentiel ou bien en continu, selon les applications visées. Les développementsconcernent la mise en place et l’hybridation de différents procédés de micro-réplication(estampage à chaud de polymère thermoplastique et par laminage circulaire entre deuxrouleaux). Ces deux procédés sont développés et optimisés pour l’élaboration decomposants micro-structurés ou de microcomposants possédant des propriétésfonctionnelles mécaniques ou thermo-physiques requises à partir de différents mélangeschargés en poudres métalliques ou en nanotubes de carbone. Des exemples de réalisationde composants structurés, à base d’un système micro-fluidique possédant plusieurs canauxde 200 microns par 200 microns et des réservoirs de diamètre de 2 mm, sont prises commeexemple tout au long de ces travaux de cette thèse. Différents travaux de caractérisationsont été entrepris pour optimiser les procédés de micro-réplication par estampage à chaud etpar laminage circulaire entre deux rouleaux
The Ph.D subject concerns the study of two micro-replication processes by hotembossing and roll to roll processes for thermoplastic polymers and loaded polymers withpowders or carbon nanotubes. The micro-replication processes, realized in sequential orcontinuous ways, use some different elaborated loaded feedstocks in order to obtainstructural components or micro-component with high aspect ratio and mechanical orthermo-physical properties.A chain combining hot embossing and roll embossing and powder metallurgy have beendeveloped in our lab and investigated. The different micro mould die cavities have beenrealized with different micro-manufacturing process, elastomeric mould has been obtainedby casting process. Finally, a metallic structured die cavity has been obtained by combininghot embossing and debinding and sintering stages. The second topic is the comparison ofmetallic die cavity mould obtained by roll embossing or rolls embossing. Two demonstratorshave been developed during the preparation of this Ph.D period: first a metallic micro-fluidicsystem with micro-structuration with diameter of 1 mm for the reservoir and 200 microns by200 microns for the channel have been realized and characterized by different methods.Secondly, some functional micro-component has been obtained with carbon nanotube andsome specific properties in terms of mechanic and thermo-physical properties have beencharacterized

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.