Professional paper (MS)--Montana State University--Bozeman, 2009. / Typescript. Chairperson, Graduate Committee: Abigail Richards. Includes bibliographical references (leaves 53-58).

Thesis (Ph. D.)--University of Wisconsin--Madison, 1970. / Typescript. Vita. eContent provider-neutral record in process. Description based on print version record. Includes bibliographical references.

Thesis (M.S.)--Ohio University, November, 2006. / Title from PDF t.p. Includes bibliographical references.

Th. doct.-ing.--Génie chim.--Toulouse--I.N.P., 1981. N°: 173.

Th.--Sci. phys.--Lille 1, 1979. N°: 460.

Thesis (Ph. D.)--University of Texas at Austin, 2008. / Vita. Includes bibliographical references.

La membrane cellulaire est un objet jouant divers rôles en biologie. Elle sert en particulier de barrière sélective entre l'intérieur et l'extérieur d'une cellule. Une membrane est une bicouche majoritairement composée de lipides, particulièrement de phospholipides, entre lesquels des protéines peuvent s'insérer. Les membranes ont besoin de contrôler l'organisation des protéines pour répondre à différentes fonctions biologiques. En physique de la matière condensée une interface signifie généralement une frontière entre deux phases distinctes, les fluctuations de cette frontière pouvant être étudiées avec les outils de la physique statistique et ceux associés aux phénomènes critiques. C'est dans ce cadre que s'insèrent nos travaux. Dans une première partie, nous nous sommes intéressés à l'organisation bidimensionnelle des lipides dans la membrane. Nous avons développé un modèle analytique de vésicule, objet tridimensionnel constitué d'une membrane fermée, où les lipides sont modélisés comme un fluide binaire en proportions différentes dans les deux feuillets de la bicouche. Un hamiltonien de Landau, qui décrit les interactions entre les lipides dans un feuillet, est couplé à un hamiltonien d'Helfrich qui rend compte des propriétés élastiques du système via une courbure spontanée et un module de courbure élastique qui dépendent de la composition locale. Dans ce modèle, le système présente différentes phases thermodynamiques qui peuvent être associées à des domaines soit épais soit courbés. Les domaines épais sont de bons candidats pour modéliser les radeaux (ou "rafts") lipidiques, qui jouent supposément le rôle de plate-forme de signalisation pour les cellules. La seconde partie porte sur l'impact de ces différentes phases sur la forme globale des vésicules. Pour répondre à cette question nous avons développé un programme numérique qui simule des vésicules composées de différents lipides. Lors de la comparaison de nos premiers résultats avec les solutions du modèle analytique, nous nous sommes aperçus qu'il existe une différence importante entre les paramètres élastiques microscopiques et ceux associés aux spectres de fluctuations mesurés. En effet, deux paramètres sufisent pour décrire le modèle de Helfrich, la tension de surface et le module de courbure élastique. Bien que les variations du module de courbure soient faibles, celles de la tension de surface sont importantes. Nous avons obtenus une formule simple qui relie la tension microscopique à celle du spectre des fluctuations. A l'aide de simulations Monte Carlo extensives et précises nous avons vérifié l'accord de ces résultats. De plus, nous avons étudié la transition de la forme sphérique à la forme "érythrocyte" et montré qu'elle pouvait être associée à l'annulation de la tension de Laplace du système. Nous avons également re-exploré la renormalisation des paramètres du modèle d'Helfrich pour une membrane plane et fait une analogie avec le modèle delta non- linéaire, un modèle de spins bien connu en matière condensée. / The cell membrane is an object playing many roles in biology. It is used in particular as a selective barrier between the interior and the exterior of a cell. A membrane is a bilayer composed mostly of lipids, and in particular of phospholipids, in which proteins can be inserted. The membrane needs to control the spatial organization of proteins to achieve various biological functions. In condensed matter physics, an interface usually means a boundary between two phases, the fluctuations of such border can be studied with the tools of statistical physics and those of critical phenomena. It is in this context that our work is inscribed. In a first part, we are interested in the two-dimensional organization of lipids in the membrane. We have developed an analytical model of a vesicle, a three-dimensional object consisting of a closed membrane, where the lipid bilayer is modeled as a binary mixture with di erent average compositions on both leaflets. A Landau hamiltonian describing the lipid- lipid interactions on each leaflet is coupled to a Helfrich one, accounting for the membrane elasticity, via both a local spontaneous curvature, and a bending modulus which depend on the local composition of lipids. In this model there are different thermodynamics phases that can be associated with thick or curved patches. These thick patches are good candidates for modeling lipidic rafts, which serve as signaling platforms for cells. The second issue concerns the impact of the different phases on the global shape of the vesicles. To answer this, we developed a numerical code that simulates vesicles composed of various lipids. When we compared our first results with analytical solutions, we realized that there is a significant difference between the microscopic elastic parameters and those associated with the fluctuation spectrum in the output of the simulation. Indeed, two parameters are enough to describe the Helfrich hamiltonian, the surface tension and the bending modulus. Although we observe small changes in the bending modulus, those of the surface tension are important. We have obtained a simple formula which connects the microscopic tension with the one associated with the fluctuation spectrum. Using extensive and accurate Monte Carlo simulations we checked the agreement of these results. In addition, we have studied the transition from the spherical shape to the "erythrocyte" one and showed that it could be associated with the cancellation of the Laplace pressure. We also explored the renormalization of Helfrich parameters for a flat membrane and proposed an analogy with the nonlinear delta model, a well known spin model in condensed matter.

Les épithéliums agissent comme des barrières physiques et chimiques vitales pour l’organisme. Les fonctions épithéliales reposent sur la cohésion des cellules assurée par les jonctions serrées et adhérentes qui sont connectées au réseau d’acto-myosine. Pendant le développement et la vie adulte, les épithélia se développent ou se régénèrent grâce à la division cellulaire. Durant la division, les cellules épithéliales opèrent des changements importants de leurs formes sans que l’intégrité de l’épithélium soit altérée. Pendant la division, les forces de tensions appliquées sur la jonction adhérente et la force produite par l’anneau de cytodiérèse s’opposent ce qui contribue au maintien de l’intégrité de l’épithélium. Cependant les mécanismes impliqués dans la régulation des forces mises en jeu pendant la division cellulaire sont mal connus. Mon projet de thèse a été de caractériser la cytodiérèse des cellules épithéliales de vertébrés en utilisant l’embryon de Xenopus laevis comme modèle d’étude in situ. Dans la première partie de ce travail, nous avons montré qu’un espace se forme de façon transitoire entre les deux cellules filles pendant la division. Cet espace est intimement lié à l’anneau de cytodiérèse. Dans la seconde partie, nous avons caractérisé l’implication de la jonction serrée pendant la division cellulaire. Nos résultats montrent que la protéine de structure ZO-1 et la protéine régulatrice GEF-H1 associées à cette jonction, régulent négativement les tensions appliquées sur la jonction adhérente. Le rôle actif de la jonction serrée dans cette régulation est supporté par l’activation de la voie de signalisation Rho/RockII/myosine et la régulation par GEF-H1 du trafic membranaire via le complexe exocyste. Grâce à un biosenseur de tension, nous avons montré que la force appliquée sur la jonction adhérente augmente dans les embryons déplétés de ZO-1 et GEF-H1. Cette augmentation des tensions induit le ralentissement de la division et la déformation de l’anneau contractile. Enfin, nos résultats suggèrent que GEF-H1 contrôlerait localement les tensions au site de division. Dans la dernière partie, nous avons étudié la formation et l’activation de l’anneau d’acto-myosine. Nos résultats non publiés montrent que le recrutement de plusieurs protéines de l’anneau commence en apical et progresse le long de la membrane latérale. Nous nous intéressons à présent à l’étude du rôle des jonctions apicales dans ce recrutement. / Epithelia act as mechanical and chemical barriers essential to the body. Those functions rely on the cohesion of cells by tight and adherens junctions, which are linked to the actomyosin network. During development and adult life, epithelia develop or regenerate through cell division. During division, epithelial cells undergo important cell shape remodeling without altering the epithelium integrity. During cell division, mechanical forces applied to the adherens junctions and forces produced by the contractile ring are opposed, contributing to the maintenance of the epithelium integrity. However, the mechanisms involved in the regulation of the forces involved during cell division are poorly understood. The aim of my thesis project was to characterize cytokinesis in vertebrate epithelial cells using the Xenopus laevis embryo as an in situ model. In the first part of this manuscript, we described in vivo a space transiently forms between the two daughter cells during cell division. This space is intimately linked to the cytokinetic ring. In the second part, we have deciphered the role of tight junctions on cytokinesis. Our results show that the scaffold protein ZO-1 and the regulatory protein GEF-H1, which is associated to tight junctions, negatively regulate global tension applied to adherens junctions. The active role of tight junctions in regulating adherens junction is supported by the finding that GEF-H1 acts by activating the Rho/RockII/myosin pathway and by regulating membrane trafficking via the exocyst complex. The increase tension observed in ZO-1 and GEF-H1 depleted cells is correlated with defect in cytokinesis duration and contractile ring shape during cytokinesis. Finally, our results suggest that GEF-H1 can locally control tensions at division site. In the last part, we have studied contractile ring formation and activation. Our results show that recruitment of contractile ring proteins begins apically and progresses along the lateral membrane. We are now studying the role of apical junctions in this recruitment.

EN: There is an industrial need for new technologies that can manipulate objects in the micrometric scale (1-1000 μm). In this thesis, an original non-contact actuation technique for the manipulation of microscale objects is proposed. The proposal is to use laser-induced thermocapillary convective flows to manipulate particles at the fluid/gas interface. These flows are generated when a surface tension stress is generated at the fluid/gas interface due to a thermal gradient. Laser heating is used because the generated thermal gradients produce fast, localized flows that improve the actuation performance. The particles are manipulated at the interface because the flow generated there is the fastest in the entire fluid. To ensure the precise positioning of a particle, closed-loop controllers are implemented in the system which are designed based on models proposed for the system. Experimental tests are performed that show that positioning precision can be ensured. In addition, the interaction forces between particles have been studied which is a preliminary step towards parallel manipulation. To counteract those forces during the manipulation, a different control strategy has been proposed, implemented and tested using simulations. Overall, the results obtained are comparable to the ones obtained with the other techniques. Therefore, the proposed technique can be considered as an attractive alternative that offers different advantages and disadvantages. FR: Il existe un besoin industriel croissant de nouvelles technologies capables de manipuler des objets à l’échelle micrométrique (1-1000 μm). Dans cette thèse, une technique originale d’actionnement sans contact pour la manipulation d’objets à l’échelle micrométrique est proposée. Elle est basée sur les écoulements thermocapillaires convectifs induits par un laser pour manipuler des particules à l’interface fluide/gaz. Le laser chauffe localement la surface de l’eau, ce qui induit un gradient de tension de surface. Ce gradient génère un écoulement fluidique. Ces écoulements sont rapides et localisés, ce qui confère des performances intéressantes à cette technique d’actionnement. Les particules sont manipulées à l’interface fluide/gaz, où l’écoulement généré est le plus rapide.Pour assurer le positionnement précis d’une particule, des contrôleurs en boucle fermée sont implémentés dans le système. Ils sont basés sur les modèles développés dans cette thèse. Des essais expérimentaux montrent que le positionnement précis de particules peut être assuré. De plus, les forces d’interaction entre des particules placées à l’interface ont été étudiées, et une stratégie de contrôle a été proposée, en vue de la manipulation en parallèle de plusieurs particules. Tant les études analytiques et les simulations numériques que les tests expérimentaux soulignent l’intérêt des écoulements thermocapillaires convectifs pour la manipulation contrôlée d’objets micrométriques. Cette technique est donc une alternative prometteuse aux approches classiques d’actionnement sans contact. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished

The scope of this thesis is micromanipulation in liquid media. This scientific field aims at understanding the relevant phenomena existing during the manipulation in a liquid of microcomponents having a size between $1,micrometer$ and a few millimeters. This work focuses on the study of surface tension forces in immersed media, because they have favorable scaling effect. The main idea is to use gas bubbles as actuation mean in a liquid, and requires to study the mechanical properties of these bubbles. The originality of the approach is the combination of two effects: surface tension and gas compressibility. <p><p>The first step was the study of an efficient mean to generate a single bubble of predefined size. After a detailed review, it appeared that volume controlled bubble generation was a promising method. We have then developed a model to predict the size of a bubble, and emphasized the possible existence of a growing instability. An analytic dimensionless study allowed to define a criterion to predict the existence of this instability.<p><p>The second step aimed at the mechanical characterization in quasi static equilibrium of a gas bubble caught between two solids. The purpose is to predict the force generated by the bubble, together with its stiffness. The model implemented allowed to infer interesting properties, notably a high compliance whose value is controllable by fluidic parameters. This compliance property being very important during micromanipulation, a demonstrator making use of gas bubbles has been designed and manufactured. It consists in a compliant microtable actuated by three bubbles. This work opens the way to new actuation or sensing means, using the transduction between fluidic and mechanic energy operated by a capillary bridge.<p>/<p>Cette thèse a pour contexte la micromanipulation en milieu liquide. Cette thématique scientifique vise à comprendre les phénomènes qui interviennent lors de la manipulation dans un liquide de microcomposants, dont la taille peut varier entre $1,micrometer$ et quelques millimètres. Les travaux de cette thèse se sont focalisés sur l'étude des forces de tension de surface en milieu immergé, car elles bénéficient d'effets d'échelle favorables. L'idée poursuivie est d'utiliser des bulles de gaz comme un moyen d'actionnement dans les milieux liquides, et nécessite d'étudier les propriétés mécaniques de ces bulles. L'originalité de l'approche repose sur la combinaison de deux effets :la tension de surface et la compressibilité du gaz.<p><p>La première étape a été l'étude d'un moyen efficace pour générer une unique bulle de gaz de taille voulue. Après une analyse exhaustive, il est apparu que la génération de bulle par le contrôle en volume était une méthode prometteuse. Nous avons alors développé un modèle permettant de prédire la taille d'une bulle, et mis en évidence la possible existence d'une instabilité de la croissance de ces bulles. Une étude analytique adimensionnelle nous a permis de définir un critère pour prédire l'existence ou non de cette instabilité. <p><p>La seconde étape a porté sur la caractérisation mécanique en régime quasi statique d'une bulle de gaz en contact avec deux solides. Le but étant de prédire la force générée par une bulle de gaz sur les solides ainsi que sa raideur. Le modèle implémenté a permis de déduire des propriétés intéressantes des bulles de gaz, notamment une grande compliance dont la valeur peut être contrôlée par des paramètres fluidiques. Cette propriété de compliance étant très recherchée en micromanipulation, un démonstrateur exploitant les bulles de gaz a été conçu. Il s'agit d'une microtable compliante actionnée par trois bulles. Ces travaux ouvrent la voie vers de nouveaux modes d'actionnement ou de capteur utilisant la transduction entre une énergie fluidique et mécanique opérée par un ménisque capillaire. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished