Dans cette thèse, nous proposons et démontrons un nouveau type de nanobiocapteur pour la détection de biomolécules à haute sensibilité et leur intégration à grande échelle (plaquette de 4 pouces). Le principe du nouveau nanobiocapteur électrique est basé sur la variation de conductivité électrique à travers des nano-îlots grâce au phénomène quantique appelé "blocage de Coulomb". Les nano-îlots de nickel (~5nm de diamètre) sont placés entre les nano-électrodes interdigitées (IND) (~45nm de largeur). La conductivité de ces dispositifs à Jonctions Tunnel Multiples (MTJ) est modifiée par l'adsorption de biomarqueurs impliqués dans la tumorogènese. Les oncologues ont récemment isolé et caractérisé un nouveau fragment d'anticorps à chaîne simple (scFv) qui reconnaît sélectivement la forme active de RhoA. Ce biomarqueur potentiel a été trouvé surexprimé dans diverses tumeurs. Les fragments d'anticorps ont été adsorbés, par des liaisons de coordination, sur les nano-îlots de nickel. Ces fragments sont capables de reconnaître spécifiquement la forme active de RhoA. Nous avons étudié ce biomarqueur et validé la chimie de surface à base de nano-'îlots de nickel pour la détection sans marquage, en utilisant une microbalance à quartz (QCM). Puis, nous avons mis au point et adapté à notre dispositif une méthodologie innovatrice pour réaliser, à l'échelle d'une plaquette, des microcanaux basés sur du photoPDMS. La caractérisation électrique finale des dispositifs intégrés a été testée en temps réel et à flux biologique continu. La forme active de RhoA a été détectée en discriminant la forme inactive. En annexe, je présente mon opinion épistémologique et éthique sur la nanotechnologie.

L'objectif de cette étude est d'analyser l'évolution des propriétés calorimétriques et diélectriques d'un élastomère silicone lorsque des nanoparticules de silice (SiOx) y sont incorporées. L'obtention de ces nanocomposites a été réalisée par malaxage mécanique.<br />Les effets de la quantité (de 1 à 10% en poids) des nanoparticules de silice (15 nm de diamètre) sur les températures de transition vitreuse, de cristallisation et de fusion ont été analysés par calorimétrie différentielle à balayage (DSC) de –160°C à 20°C.<br />Ces analyses ont montré que les nanoparticules sont sans effet sur la température de transition vitreuse (–127,5°C). En revanche, la température de cristallisation se décale vers des températures d'autant plus basses que l'ajout de nanoparticules dans la matrice augmente.<br />Les analyses en spectroscopie diélectrique ont été réalisées sur la bande de fréquence [1mHz – 1MHz] et dans la plage de température [–150°C; 160°C]. A basse température les résultats obtenus par DSC ont été confirmés. Les études dans les hautes températures ont permis d'identifier une relaxation de type Maxwell-Wagner-Sillars (MWS) plus importante pour les nanocomposites. Une importante diminution de<br />la conductivité est observée avec l'augmentation de la quantité de nanoparticules incorporée. Ce résultat montre l'intérêt de l'ajout de nanoparticules dans des élastomères silicones pour le renforcement de l'isolation électrique.

La microscopie à l'angle de Brewster est une nouvelle et tres puissante technique d'étude des films monomoléculaires à la surface de l'eau. Son principe est basé sur les propriétés de réflectivité des interfaces. Elle est sensible à l'épaisseur, la densité et l'anisotropie optique des films. Cette technique a été appliquée à l'étude de couches adsorbées à la surface de solutions aqueuses d'acides gras (acides palmitiques et myristiques). Ces couches traversent pendant leur formation des transitions de phases. Le nombre, la nature et la morphologie de ces phases dépendent de nombreux paramètres dont le pH. Nous avons entre autres observé des phases optiquement anisotropes, contituées de molécules inclinées par rapport à la normale à la solution.Ces phases sont sans doute des mésophases "verrouillées", c'est à dire que la direction des molécules est fixée par rapport aux directions intermoléculaires. Elles présentent différents types de défauts d'orientation, dont des structures en étoile. L'existence de telles structures est expliquée par application d'un modèle d'élasticité continue développé pour l'étude des films minces de cristaux liquides smectiques. Des structures en zig-zag, en spirales et en bandes de largeur déterminée ont également été observées. Nous avons également étudié les couches d'un polymère (le PDMS) à la surface de l'eau. Nous y avons observé la séparation latérale en domaines de densités de surface différentes, à la fois dans le régime monocouche et le régime multicouches.

Il y a à l'heure actuelle un grand besoin d'antennes reconfigurables dans la bande des 60 GHz pour des applications de télédétection et de télécommunications sans fil très hauts débits. Les solutions traditionnelles de reconfiguration sont basées sur des semiconducteurs ou des composants RF-MEMS, qui connaissent un coût, une complexité et des pertes croissantes en bande millimétrique. Dans cette thèse, une approche originale a été développée : elle est basée sur la reconfiguration mécanique d'antennes et dispositifs millimétriques microrubans sur substrat élastomère ultrasouple PDMS grâce à des actionneurs MEMS grands déplacements. Premièrement, les choix de conception, la technique de simulation éléments finis (HFSS), et surtout la microfabrication d'antennes sur membrane PDMS ainsi que les techniques de mesure en impédance et rayonnement sont abordés.Deux axes ont ensuite été étudiés : les antennes accordables en fréquence, et les antennes et composants pour le balayage angulaire (déphaseurs et antennes à balayage mécanique de type scanner). Des procédés technologiques innovants ont été développés (reports de métallisations épaisses biocompatibles et d'aimants permanents en couches minces sur membrane PDMS) et différentes techniques d'actionnement (pneumatique, magnétique, par électromouillage) ont été mises en œuvre. Les performances en terme d'accord en fréquence (8,2 %) et de balayage angulaire (-90/+100°) dépassent l'état de l'art des antennes du même type en bande millimétrique, et ceci en utilisant une technologie peu complexe, ultra bas-coût et prometteuse pour la montée en fréquence.

Ce travail de thèse présente en détail la conception et le développement d'un actionneur microfluidique pour la distribution de fluide au travers d'une matrice de microaiguilles. Cet actionneur est un élément d'un projet de recherche européen, Angioskin, visant à réaliser le traitement d'une maladie de peau (le psoriasis) par injection d'ADN codant pour une protéine antiangiogénique. Le contexte médical de ce projet a imposé plusieurs contraintes sur les caractéristiques du système de distribution fluidique ; ce dernier doit permettre de manipuler de petites quantités de fluide tout en limitant les pertes, et assurer l'injection d'une quantité définie de produit de manière uniforme au travers d'une matrice de cent microaiguilles malgré des conditions d'injection variables. Enfin, il a aussi été nécessaire de s'assurer que les molécules d'ADN pouvaient circuler correctement, et surtout sans être dégradées, dans le microsystème afin de garder leurs propriétés thérapeutiques. Ce microsystème a été réalisé en PDMS, et est constitué d'un réseau de micro-réservoirs connectés par des canaux ainsi que plusieurs éléments de contrôle (valves, diode fluidique, résistance hydrodynamique). Ce système a fait l'objet d'un brevet européen (EP1852142).

Numerous applications in neuroscience research and neural prosthetics, such as retinal prostheses, spinal-cord surface stimulation for prosthetics, electrocorticogram (ECoG) recording for epilepsy detection, etc., involve electrical interaction with soft excitable tissues using a surface stimulation and/or recording approach. These applications require an interface that is able to set up electrical communications with a high throughput between electronics and the excitable tissue and that can dynamically conform to the shape of the soft tissue. Being a compliant and biocompatible material with mechanical impedance close to that of soft tissues, polydimethylsiloxane (PDMS) offers excellent potential as the substrate material for such neural interfaces. However, fabrication of electrical functionalities on PDMS has long been very challenging. This thesis work has successfully overcome many challenges associated with PDMS-based microfabrication and achieved an integrated technology platform for PDMS-based stretchable microelectrode arrays (sMEAs). This platform features a set of technological advances: (1) we have fabricated uniform current density profile microelectrodes as small as 10 microns in diameter; (2) we have patterned high-resolution (feature as small as 10 microns), high-density (pitch as small as 20 microns) thin-film gold interconnects on PDMS substrate; (3) we have developed a multilayer wiring interconnect technology within the PDMS substrate to further boost the achievable integration density of such sMEA; and (4) we have invented a bonding technology---via-bonding---to facilitate high-resolution, high-density integration of the sMEA with integrated circuits (ICs) to form a compact implant. Taken together, this platform provides a high-resolution, high-density integrated system solution for neural and muscular surface interfacing. sMEAs of example designs are evaluated through in vitro and in vivo experimentations on their biocompatibility, surface conformability, and surface recording/stimulation capabilities, with a focus on epimysial (i.e. on the surface of muscle) applications. Finally, as an example medical application, we investigate a prosthesis for unilateral vocal cord paralysis (UVCP) based on simultaneous multichannel epimysial recording and stimulation.

The growth of flexible electronics industry has given rise to light-weight, flexible devices which have a wide range of applications such as wearable electronics, flexible sensors, conformal antennas, bio-medical applications, solar cells etc. Though several techniques exist to fabricate flexible devices, the limiting factors have been durability, cost and complexity of the approach. In this research, the focus has been on developing stretchable (flexible) conductors using a multi-layer structure of metal and conductive rubber. The stretchable conductors developed using this approach do not lose electrical connection when subjected to large strains up to 25%. Also, the conductivity of the conductive rubber has been improved by ~20 times using the multi-layer approach. Furthermore, the multi-layer approach was used to fabricate devices for RF and antenna applications. A flexible micro-stripline was fabricated using the multi-layer approach to study the performance at microwave frequencies up to 5 GHz. It was observed that using an optimal metal and conductive rubber layer structure can help to reduce the loss of the device by 58% and also the device does not get damaged due to bending. In addition to this, an aperture-coupled patch antenna at 3.1 GHz was fabricated using the multi-layer approach to demonstrate reconfigurability. Ideally, the multi-layer patch antennas can be stretched up to 25% which helps to tune the resonance frequency from 3.1 GHz to 2.5 GHz. The multi-layer patch antennas were tested up to ~10% strains to study their radiation properties. It was demonstrated that using an ideal multi-layer structure of metal and conductive rubber layer can help to improve the antenna's peak gain by 3.3 dBi compared to a conductive rubber based antenna.

Novel sol-gel titania-poly(dimethylsiloxane) (TiO2-PDMS) and titania-silica-N-(triethoxysilylpropyl)-O-polyethylene oxide urethane (TiO2-SiO2-TESP-PEO) coatings were developed for capillary microextraction (CME) to perform on-line preconcentration and HPLC analysis of trace impurities in aqueous samples. Due to chemical inertness of titania, effective covalent binding of a suitable organic ligand to its surface is difficult via conventional surface modification methods. In this research, sol-gel chemistry was employed to chemically bind hydroxy-terminated poly(dimethylsiloxane) (PDMS) and N-(triethoxysilylpropyl)-O-polyethylene oxide urethane (TESP-PEO) to sol-gel titania and sol-gel titania-silica network, respectively. A method is presented describing in situ preparation of the titania-based sol-gel PDMS and TESP-PEO coatings and their immobilization on the inner surface of a fused-silica microextraction capillary. To perform on-line CME-HPLC, the sol-gel TiO2-PDMS or TiO2-SiO2-TESP-PEO capillarywas installed in the HPLC injection port as an external sampling loop, and a conventionalHPLC separation column was used for the liquid chromatographic separation. The sol-gel TiO2-PDMS-coated microextraction capillary was used for on-line CME-HPLC analysis of non-polar and moderately polar analytes, and the sol-gel coatings showed excellent pH (1-13), and solvent (acetonitrile and methanol) stabilities under elevated temperatures (150 C) over analogous non-sol-gel silica-based coatings. Extraction of highly polar analytes, especially from aqueous phases is not an easy task. However, the sol-gel TiO2-SiO2-TESP-PEO-coated capillaries showed excellent capability of extracting underivatized highly polar analytes from aqueous samples. This opens the possibility to employ sol-gel titania-based polar coatings for solvent-free extraction and trace analysis of target analytes in environmental and biomedical matrices. To our knowledge, this is the first research on the use of sol-gel titania (or titania-silica)-based organic-inorganic materials as a sorbent in capillary microextraction. The newly developed sol-gel titania (or titania-silica)-based organic-inorganic hybrid extraction media provides an effective solution to coupling CME with HPLC (CME-HPLC), and this can be expected to become a powerful analytical tool in environmental investigations, proteomic research, early disease diagnosis and biomarker research. Being a combination of a highly efficient solvent free sample preconcentration technique (CME) and a powerful separation method (HPLC), CME-HPLC poses to become a key analytical tool in solving complex chemical, environmental, and biomedical problems involving complex matrices.

Les matériaux polymères, en particulier les EAP (Electro Active Polymer), sont de bons candidats pour le développement d'actionneurs de nouvelle génération, en particulier par leurs propriétés mécaniques et électriques. Nous nous sommes intéressés plus particulièrement au cours de cette thèse aux actionneurs polymères à base d'élastomère diélectrique et à leur intégration technologique. Le principe de fonctionnement de ce type d'actionneur est basé sur l'attraction électrostatique entre deux électrodes qui prennent en sandwich l'élastomère qui jouera à la fois le rôle d'entrefer de permittivité relative supérieure à un et de ressort de rappel par ses propriétés élastiques. Les forces d'attraction sont proportionnelles à la constante diélectrique de l'élastomère et inversement proportionnel au module de Young de ce dernier. Notre choix s'est porté sur les polydiméthylesiloxanes (PDMS), matériaux à la fois très souple et pour lesquels une augmentation de la permittivité peut être obtenue par l'addition de nanoparticules. Un procédé original de structuration des couches de " PDMS " sur une plaquette de silicium a été développé. Nous avons formulé ce polymère avec un composant photo-actif pour le rendre photosensible afin de pouvoir l'utiliser à l'image d'une résine lithographique conventionnelle et d'envisager la structuration dans un enchaînement de fabrication compatible avec les technologies microsystèmes. Par ailleurs une caractérisation exhaustive nous a permis de mieux comprendre les mécanismes physico-chimiques impliqués lors des différentes étapes technologiques de réalisation aussi bien pour le matériau seul qu'additionné de nanoparticules de titanate de baryum. Nous nous sommes également attachés à mesurer la permittivité et les coefficients d'élasticité de ces matériaux à la fin du processus de fabrication vérifiant ainsi le maintien des propriétés initiales qui ont présidées au choix de ces matériaux. Des actionneurs miniaturisés constitués d'une électrode inférieure fixe, d'une couche de PDMS structurée et d'une électrode supérieure libre ont ainsi été fabriqués, caractérisés et modélisés par élément finis à l'aide du logiciel Comsol. Nous avons utilisé des modèles hyper élastiques pour les confronter aux résultats obtenus. Il en ressort que si l'utilisation des dépôts de couches métalliques a permis de fabriquer des structures, la déformation maximale de l'actionneur est limitée néanmoins par l'élasticité de l'électrode métallique. Les résultats nous permettent d'envisager, pour les applications à l'optique, la réalisation de structures à focale variable dont deux exemples sont donnés en perspective.

I have examined three different topological forms of a material modifier. The modifier is silicone and the three topological forms are cyclic, linear tethers and networked siloxane bonds in the form of a nanoparticulate. Often silicones, or siloxanes, are added to a material because of its unique properties that are related to its inorganic or inorganic-organic hybrid character. This dissertation addresses either the synthesis of silicones for material modification or the effect of the adding silicones to a variety of substrates and polymeric systems. Chapters 2 and 3 present research focused on the first topological form, cyclic PDMS. The synthesis of cyclic polymers is very important to the synthesis and subsequent characterization of cyclic containing multi-component materials. Cyclic PDMS is formed via ring-chain depolymerization and bimolecular coupling and the unique issues associated with the formation, purification and analysis of cyclic polymer topologies. The goal of the work described in these chapters was to find a straightforward high-yield route to form large cycles of PDMS in a relatively high purity. Chapter 4 focuses on the modification of the next topological form, linear polymers as tethers for surface modification and presents a novel concept for surface-modifying compounds; the incorporation of an ionic-reactive functionality into PDMS is presented. The idea being its ionic character will increase affinity for the surface, surface coverage and levelness, while the subsequent reactive fixation will permanently modify the surface to improve retention and fastness. The use of such chemistry has not been applied for surface modification protocols. Chapters 5, 6 and 7 discuss the characterization of systems with the third topological form incorporated. They include differences in the viscoelastic behavior of PVAc/silica nanocomposites and the neat PVAc matrix, relating those differences to polymer dynamics and structure as determined by several solid-state NMR experiments. The latter two chapters pertain to PVAc/silica nanocomposites with PDMS surface treatments. Specifically, evaluating how polymer dynamics and structure changes particularly at the interfaceinterphase with various PDMS surface treatments having different topologies at the surface.