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Le BUT de ma thèse est d’étudier les mécanismes fondamentaux du mélange d’une poudre avec un liquide : Au début du mélange, la poudre et le liquide sont versés dans le mélangeur, des agrégats de poudre communément appelés grumeaux se forment. Ensuite chaque agrégat va évoluer par l’action de plusieurs phénomènes : l’imbibition, phénomène spontané qui désigne l’infiltration d’un liquide dans un milieu poreux par capillarité ; et le phénomène forcé de rupture sous contraintes d’écoulement. A l’état final la poudre est dispersée finement et de façon homogène dans le liquide. Ma thèse est alors structurée en deux parties : l’étude de la cinétique d’imbibition d’un agrégat sphérique immergé ; et l’étude de la rupture d’un agrégat sous contrainte extérieure. La REUSSITE de l’étude provient des expériences approfondies: de la création d’un nouveau procédé de fabrication d’un agrégat grâce à l’impression 3D, jusqu’à la détermination de lois empiriques de nouveaux phénomènes mis en évidence. / The GOAL of my PhD is to study the fundamental mechanisms of mixing a powder with a liquid. The mix of focus proceeds as follows:At start, as the powder and the liquid are filled in the mixer, powder aggregates form.Then each powder aggregate evolves under the influence of several phenomena: imbibition, spontaneous phenomenon corresponding to the infiltration of a liquid inside a porous medium by capillarity; and the forced phenomenon of rupture under flow. At last the powder is finely and homogeneously dispersed in the liquid. My PhD is thus organized in two parts: the study of the imbibitions kinetics of a spherical aggregate, and the study of the rupture of an aggregate under flow.The SUCCESS of the study relies on the thorough experiments: from creating a new aggregate manufacturing process using 3D printing, to determining empirical laws corresponding to new phenomena.

Les formulations des peintures à l’eau sont basées sur l’utilisation de suspensions colloïdales de particules de polymère dans l’eau (latex) et d’additifs dont principalement des pigments et des charges. La formation d’un film mince à matrice polymère par séchage d’un système colloïdal aqueux donne lieu à des phénomènes interdépendants d’une extrême complexité. Dans le cadre d’applications spécifiques, tels que le marquage routier, le séchage d’un latex formulé nécessite une minimisation des temps de séchage sans apport excessif d’énergie. Néanmoins, une fois sec, le film doit être aussi peu poreux que possible et avoir la meilleur tenue mécanique possible. L’objectif principal de cette thèse était d’identifier les paramètres clés pouvant jouer sur la vitesse de séchage d’une peinture aqueuse et de comprendre comment ces paramètres influencent les propriétés rhéologiques, les mécanismes de séchage du latex formulé et les propriétés mécaniques des films de polymères secs. Ceci dans le but d’apporter une meilleure compréhension au séchage de latex formulés ainsi qu’une aide à la formulation.Après identification des paramètres clés, des latex ont été synthétisés et formulés avec des additifs judicieusement choisis. L'influence des paramètres clés : nature du polymère, taille et distribution en taille des particules, ajout d'un agent de coalescence, d'un co-solvant, d'un agent dispersant et épaississant, de pigments et d’un agent de réticulation, a été étudiée au niveau du séchage des formulations et au niveau des propriétés mécaniques des films secs. Les études sur le séchage ont porté sur le séchage global, les mécanismes de déformation des particules et les mécanismes de séchage horizontal et vertical présent dans les latex. La vitesse de convection horizontale des particules a été mesurée par diffusion multiple de la lumière. Des comparaisons avec des modèles théoriques ont été effectuées. Les propriétés des films secs ont été comparées par analyse dynamique mécanique et par tribologie. / Aqueous paints are made of colloidal suspensions of polymer in water (latex) and additives (mainly pigments and fillers). Latex film formation consists of complex and interdependent phenomena. In case of specific applications, such as road marking, formulated latex must dry fast without excessive supply of energy. However, once dry, the film must be as less porous as possible, with good mechanical properties. The aim of this thesis was to identify the drying key parameters and to understand their influence on the rheology, the drying mechanisms of formulated latex and the mechanical properties of the dried films. The final goal was to have a better understanding of formulated latex drying in order to improve the formulations. After identification of the drying key parameters, latexes have been synthetized and formulated with specific additives. The influence of the following drying key parameters: nature of polymer, size and size distribution of particles, addition of coalescing aid, co-solvent, dispersing and thickening agent, pigments and cross linker, was studied regarding the formulation drying and the dried films mechanical properties. The drying studies focused on the global drying rate of the formulations, the particles deformation mechanisms and the horizontal and vertical drying mechanisms observed in latexes. The particles horizontal convection rate has been measured with multiple light scattering. Comparisons have been made with theoretical models. Dried films mechanical properties have been compared with dynamic mechanical analysis and tribology.

Les dispersions colloïdales ont beaucoup d’applications technologiques importantes. A cause du mouvement brownien, les particules ont des collisions fréquentes entre elles. Les forces d’attraction de van der Waals,dérivant de potentiels à longue portés, conduisent à l’agrégation et à la précipitation des particules. Plusieurs méthodes ont été proposées pour diminuer ou contrebalancer l’effet d’attraction de van der Waals et augmenter la stabilité colloïdale. Par exemple, le choix du solvant possédant l’indice de réfraction le plus proche possible de celui des particules peut diminuer les forces de van der Waals. D'autres facteurs influencent la stabilité comme les interactions électrostatiques et les interactions spécifiques liées aux chaînes de polymères. Dans le cas des polymères, les chaînes peuvent être greffées à la surface des particules ou être dissoutes dans le solvant (chaînes libres). Dans ce travail de thèse, nous avons étudié l’effet de la stabilisation par déplétion dans le cas des chaînes de polymères libres (FPI, "free polymer induced interaction"). Des modèles théoriques précédents portent un caractère trop simplifié et utilisent des approximations sans vérification. De plus, l’influence des paramètres de la solution, c’est-à-dire, de la structure de polymères et de son interaction avec la surface de particule, n’a pas été étudiée.Les chaînes polymères libres ont été modélisées comme des marches aléatoires dans un champ moléculaire auto-cohérent qui satisfait à l'équation intégro-différentielle de diffusion. Pour le domaine moléculaire, nous avons utilisé un potentiel chimique qui, pour la solution de polymère semi-dilué, peut être représenté comme une expansion du viriel où nous n’avons pris en considération que les deuxième et troisième coefficients du viriel de la solution de polymère. En variant des paramètres tels que la rigidité du polymère, la longueur du polymère, la concentration en polymère et le régime du solvant (comme le solvant thêta), que ce soit pour une surface colloïdale purement répulsive, pour une surface adsorbée ou pour la surface d'une couche de polymère greffé, nous avons été en mesure d'améliorer la barrière répulsive due aux polymères libres entre les particules et donc nous avons trouvé des conditions de la stabilisation cinétique du système. / Stable colloidal dispersions with evenly distributed particles are important for many technological applications. Due to Brownian motion colloidal particles have constant collisions with each other which often lead to their aggregation driven by the long range van der Waals attraction. As a result the colloidal systems often tend to precipitate. A number of methods have been devised to minimize the effect of long-range van der Waals attraction between colloidal particles or to override the influence of the attraction in order to provide the colloidal stability.In the PhD thesis we investigated the colloidal stabilization in solutions of free polymers which is commonly referred to as depletion stabilization. Previous theoretical studies of free-polymer induced (FPI) stabilization were based on oversimplified models involving uncontrolled approximations. Even the most basic features of the depletion stabilization phenomenon were unknown. It was unclear how the PI repulsion depends on the solution parameters, polymer structure and monomer/surface interactions.The free polymer chains were modeled as random walks in a self-consistent molecular field that satisfied to diffusion-like integro-differential equation. As the molecular field we used the chemical potential that for semi-dilute polymer solution can be represented as a virial expansion where we took into account only second and third virial coefficients of the polymer solution. Varying the parameters like polymer stiffness, polymer length, polymer concentration and solvent regime (like theta solvent) whether it is for purely repulsive colloidal surface, adsorbed surface or surface with grafted polymer layer we were able to enhance the repulsive barrier due to the free polymers between the particles and therefore found conditions for kinetic stabilization of the system.

Les particules superparamagnétiques constituent un outil puissant pour de nombreuses applications biomédicales, ce potentiel est souvent restreint à cause de leur stabilité limitée dans les milieux biologiques ou du piégeage orientationnel sous champ magnétique. Dans cette thèse, ces problèmes ont été résolus en créant une nouvelle génération de particules à interfaces liquides fonctionnalisées. Ces particules sont formulées en utilisant des émulsions de ferrofluides qui incorporent des phospholipides fonctionnalisés, notamment biotinylés pour permettre la capture de streptavidine. La taille est contrôlée grâce à la microfluidique, permettant la production d'émulsions uniformes. L'utilisation de streptavidine fluorescente révèle que la capture est influencée par les propriétés du cosurfactant et du ligand ainsi que par le nombre de ligands disponibles. La mobilité des ligands est démontrée par l'adhésion observée entre les gouttelettes liées par de la streptavidine et le mouvement des billes couvertes de streptavidine capturées à l'interface. Enfin, le potentiel de ces particules est exploré en créant un dosage pour le diagnostic. La présence d'analytes en solution est indiquée par l’agglutination. Dans ce travail l'agglutination est provoquée par la complexation entre des émulsions biotinylés et  la streptavidine (ou des billes couvertes de streptavidine). L’utilisation de gouttelettes de taille calibrée permet de compter avec précision des agrégats spécifiques par cytométrie de flux, la limite de détection étant dans la gamme femtomolaire. Cela surpasse la gamme picomolaire atteint généralement par des billes solides. / Colloidal superparamagnetic particles are a powerful tool in biotechnology, yet their applications are often hindered by limited stability in biological media or by orientation trapping under applied magnetic fields. In this thesis, these problems are addressed by developing novel magnetic particles bearing ligands at a liquid interface. Magnetic particle analogues are formulated using ferrofluidic emulsions, which incorporate functionalised phospholipids. Droplet size is controlled using microfluidic membrane emulsification to produce highly uniform populations. Ligands are modelled using biotinylated lipids, permitting the capture of streptavidin at the droplet interface. Fluorescently labelled proteins reveal that capture efficiency is influenced by the cosurfactant interfacial activity and the polymer spacer length of the ligand. Overall, capture saturation is found to be related to the number of ligands available at the interface. Ligand mobility is demonstrated by the formation of adhesion plaques between streptavidin cross-linked droplets and the motion of streptavidin coated beads caught at the interface. Finally, an application is explored by creating a new immunoassay. Polyvalent proteins or beads crosslink ligand functionalised droplets forming aggregates. Using size calibrated droplets specific aggregates can be accurately counted using flow cytometry and the limit of detection is found to be in the femtomolar range, this surpasses the picomolar range typically achieved using solid beads.

Cette thèse porte sur l’influence de la formulation de méthode de nanoprecipitation sur la taille et la structure interne de particules de dérivés squalénés. Ces composés introduits en 2006 par P. Couvreur sont basés sur l’association de principe actif au groupe squalène pour obtenir des propriétés d’auto-assemblage. L’augmentation de l’efficacité thérapeutique des nanoparticules par rapport au principe actif libre et la versatilité de fonctionnalisation ont ouvert une nouvelle stratégie pour les applications biomédicales. Cependant, la compréhension des mécanismes de formation des particules et de leur structure interne reste incomplète. Ces caractéristiques (taille et structure) pouvant influencer l’activité thérapeutique, il est crucial en vue d’une application médicale de déterminer les paramètres clef de la formation des nanoparticules. Dans cette thèse, les particules de squalène deoxycitidine ont été caractérisées par diffusion de neutrons et de rayons X aux petits angles et par cryo-microscopie électronique. Dans une première partie, nous avons identifié les paramètres optimums de formulation pour la nanoprecipitation. Dans une deuxième partie, l’étude de la nature du solvant organique sur la nanoprecipitation a mis en évidence pour certains solvants un mécanisme de nucléation croissance. Les effets de solvants sont cependant faibles par rapport à ce qui est classiquement observé pour les polymères. La troisième partie basée sur la cryo-TEM des particules oriente vers un mécanisme décrit pour les autres cubosomes d’attachements inter lamellaires pour les structures internes cubiques. Enfin, à l’issue de ce travail, nous avons étendu le protocole de nanoprecipitation au D α- Tocophérol Succinate en tentant de stabiliser la phase cristalline hexagonale présente dans le diagramme de phase binaire eau/ α-TOS. / This thesis investigates the influence of the formulation on the size and the internal structure of particles obtained by nanoprecipitation of squalene derivatives. These compounds were introduced in 2006 by P. Couvreur's team as part of a process called squalenoylation. Based on the association of drug with the squalene group it confers to these molecules self-assembling properties and it increased therapeutic efficacy. The particles are prepared by the solvent displacement method ("Ouzo" effect) and were characterized by neutron and X-ray scattering at small angles and by cryo-electron microscopy.We have highlighted the necessary preparation parameters for the reproducible preparation of cubosomes in a dimater of hundred nanometres. A study on the effect of the nature of the organic solvent on Squalene deoxycitidine has highlighted for some of them (isopropanol and DMSO) a nucleation mechanism that could be followed by growth (ethanol and acetone). TEM cryo-microscopy analysis suggests that cubic internal structures form by the mechanism of interlamellar attachments. Finally, we extended the nanoprecipitation method to Dα-Tocopherol Succinate, a derivative of Vitamin E