Les mutations profondes observées au cours des vingt-cinq dernières années dans le monde de l'électronique ont actuellement cours en biologie, en partie grâce aux biotechnologies. Le concept communément appelé "laboratoire sur puce" (Lab-On-Chips, LOC) doit son essor à l'effort considérable qui a été mené en matière de développement des technologies de micro-fabrication. Le nombre d'outils technologiques disponibles actuellement pour la fabrication de réseaux microfluidiques est important mais la réalisation de systèmes complexes tridimensionnels reste encore un challenge. Le développement des micro- et nanotechnologies à de nouveaux matériaux comme les polymères, et en particulier la SU-8, a permis d'ouvrir la voie à une intégration plus élaborée telle que nous la présentons dans ce travail de thèse. Nous y exposons la démarche et les détails d'une approche consistant en la conception, la modélisation et la fabrication de dispositifs d'actionnement magnétique intégrés au sein de réseaux microfluidique en SU-8 pour la manipulation de billes magnétiques ; le tout étant élaboré sur un substrat souple de type PET. Le développement des outils de caractérisations des systèmes réalisés a également été présenté. Ils ont permis la mise en place d'un protocole expérimental visant à évaluer et quantifier les différents paramètres électriques, thermiques, fluidiques et magnétiques concourant à obtenir un dispositif LOC efficient dans la circulation de fluides, le piégeage de billes magnétiques, leur transfert d'une zone à un autre et leur orientation guidée vers des canaux privilégiés.

Nous avons montré la faisabilité d 'une approche de capteur où les fonctions de détection et de signalisation sont séparées. Nous avons choisi comme supports lumineux des nanosphères fluorescentes. Elles servent de transducteurs. Nous avons exploré la modularité du capteur en essayant plusieurs molécules sondes adsorbées à la surface des billes. Nous avons montré que l'information entre la détection (sonde) et la signalisation (bille) est relayée par transfert d'énergie.

Thèse doctorat : Génie des Matériaux : Villeurbanne, INSA : 2004. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. à la fin de chaque chapitre.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Sciences:génie mécanique : Reims : 2004. / Titre provenant de l'écran titre. Bibliogr. f. 121-125.

Habilitation à diriger des recherches : Génie mécanique : Villeurbanne, INSA : 1999. / Document rédigé également en version française. Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 135-155.

La dengue et le chikungunya sont deux arboviroses émergentes qui sont transmises à l'homme par la piqûre de moustiques du genre Aedes. Il n'existe ni vaccin ni traitements commercialisés pour ces arboviroses. Il apparaît donc nécessaire de développer de nouvelles stratégies pour isoler les virus circulants et bloquer leur transmission. La compréhension des mécanismes mis en jeu dans les cellules des vecteurs Aedes lors d'une infection par le virus de la dengue (DENV) sont encore très peu étudiés, notamment pour les sérotypes 1 et 3. Par des analyses protéomiques de l'infection d'une lignée cellulaire du moustique Aedes albopictus par ces séroytypes, nous avons démontré qu'en réponse à l'infection, les cellules de moustiques utilisent les mécanismes antioxydants combinés à la production d'énergie pour faire face au virus. Les résultats de notre étude devraient permettre de mieux comprendre l'interaction DENV-vecteur Aedes au niveau cellulaire dans le but de concevoir des stratégies efficaces pour le contrôle du DENV. Nous avons également regroupé dans une revue les connaissances acquises sur les études protéomiques des principaux compartiments des arthropodes vecteurs de maladies humaines. Dans un second volet, nous avons mis en évidence une méthode rapide d'isolement et de concentration des DENV et du chikungunya. Cette technique d'isolement basée sur la capture de virus sur des billes magnétiques enrobées de polymères anioniques permet d'obtenir des particules virales infectieuses. Cette méthode combinée à des approches classiques de détection de virus pourrait non seulement permettre l'identification des échantillons infectés ayant une faible charge virale, mais aussi l'isolement simultanée de particules infectieuses de dengue et de chikungunya à partir d'un seul échantillon. / Dengue (DENV) and Chikungunya (CHIKV) viruses are two emerging arboviruses that are transmitted to humans by the bite of Aedes sp. mosquito vectors. Neither vaccines, nor medical treatments, are commercially available for these infections. It is, therefore, necessary to elaborate novel strategies to isolate the circulating viruses and block their transmission.Our understanding of the molecular mechanisms involved, during the infection of the Aedes vector by dengue virus (DENV), especially serotypes 1 and 3, remains very scant. We, therefore, performed a proteomics analysis of an Aedes albopictus cell line, infected by these two DENV serotypes, and showed that the cells use both anti-oxidant and energy-production mechanisms in the fight against the virus. These results should help to improve our knowledge of the interaction of the DENV virus and the Aedes mosquito vector, at the cellular level, with the aim of designing efficient strategies for the control of this virus. We have, in addition, developed a rapid and sensitive isolation technique, based on viral particle adsorption to magnetic beads coated with an anionic polymer. The use of this technique is of great interest, as it permits the rapid and simultaneous detection and isolation of CHIKV and DENV from samples with reduced viral loads.

Nous présentons deux dispositifs microfluidiques, aussi appelés Laboratoires-sur-Puces, fondés sur deux technologies : la microfluidique et les billes magnétiques. Un premier laboratoire-sur-puce est dédié à la recherche de cellules tumorales circulantes. Les billes magnétiques sont auto-organisées sur un dépôt magnétique de ferrofluide obtenu par tamponnage moléculaire et les cellules sont séparées sur la base de protéines de membranes à leur surface. Les expériences menées établissent les performances de rendement et de pureté de la séparation cellulaire. On démontre que les cellules capturées peuvent être remises en culture. Comme validation clinique, ce système a été utilisé pour le typage de cellules tumorales circulantes lymphoïdes issues de leucémies et de lymphomes à l'aide de microscopie confocale à haute résolution. Un deuxième laboratoire-sur-puce a été utilisé pour la recherche de bactéries infectieuses. Un module de concentration d'ADN a été mis en place à l'aide de billes magnétiques organisées en réseau très dense de billes. L'ADN est retenu par sa charge sur les billes à faible pH et élué par augmentation de pH. La preuve de concept du système est apportée.

Le 32CrMoV13 nitruré est un matériau à gradient de propriétés utilisé pour la réalisation de bagues de roulements aéronautiques. Il présente l'avantage d'être dur en surface et ductile à cœur, facilitant ainsi la lutte contre les effets de la pollution des contacts par les lubrifiants. De plus, afin d'améliorer les performances des roulements, la tendance est à l'utilisation de céramique (nitrure de silicium Si3N4) pour les éléments roulants à la place de l'acier (M50). Ainsi, le travail de thèse proposé ici est l'étude du comportement en fatigue de contact en présence d'indentations pour deux couples de matériaux (32CrMoV13 nitruré / M50 et 32CrMoV13 nitruré / Si3N4). Ce comportement est principalement orienté en terme de durée de vie du contact indenté par l'intermédiaire d'un critère d'amorçage de fissures. Une étude des propriétés mécaniques du 32CrMoV13 nitruré, nécessaires à l'application du critère, a été réalisée. La loi d'écrouissage et l'ouverture micro-plastique cyclique de la couche nitrurée du 32CrMoV13 nitruré ont été identifiées. Puis, par l'intermédiaire de défauts géométrique de type trous cylindriques, les propriétés d'amorçage de fissures ont été étudiées lors d'essais de compression uniaxiale. Le comportement en fatigue de contact en présence d'indentations a été étudié sur machine bi-disques. Ces essais ont permis de caractériser la différence de comportement du 32CrMoV13 nitruré, et indenté, dans un contact acier / acier et acier / céramique. L'effet du glissement a notamment été mis en évidence. Ces études expérimentales ont été couplées avec des simulations numériques afin d'étalonner le modèle physique d'amorçage de fissures et d'en valider sa bonne représentativité. En conclusion un modèle de prédiction de durée de vie en fatigue de roulement a été proposé. Il est particulièrement adapté aux cas où des contraintes résiduelles sont présentes, par exemple suite à l'indentation des surfaces. Le modèle s'appuie sur la caractérisation mécanique des couches traitées thermo-chimiquement de l'acier 32CrMoV13 nitruré.

Les matériaux nanocomposites obtenus par la dispersion de charges nanométriques dans un polymère ont de nombreuses applications industrielles à cause de l’amélioration des propriétés des matrices. La dispersion des charges pendant le procès de préparation des nanocomposites est déterminée par les interactions entre charges et avec le polymère. L’état final de dispersion impacte les propriétés structurales, dynamiques et mécaniques du matériau.Dans ce travail de thèse, nous proposons l’étude de nanocomposites produits par dispersion de billes de silice hydrophiles dans une matrice de polymère hydrophobe, i.e., styrene-butadiene (SB), couramment utilisé dans les pneumatiques. Nous avons notamment étudié l’impact des agents de recouvrement - des silanes réagissant avec la surface des charges – qui sont utilisés afin de promouvoir la compatibilité entre la silice et le SB.Dans un premier temps, nous avons étudié des matériaux composites industriels simplifiés obtenus par l’incorporation de silice hautement dispersible dans le SB. En couplant des expériences de diffusion des rayons-X aux petits angles (DXPA) avec de la microscopie, nous avons montré que : i) la présence d’un catalyseur (DPG) amplifie l’effet de l’agent de recouvrement; ii) l'augmentation de la quantité de silane favorise la réduction de la taille des agrégats de silice. De plus, un système modèle équivalent au système industriel simplifié a été développé, mais avec une silice colloïdale. Nous avons mis au point une nouvelle méthode pour modifier la surface des billes de silice en suspensions dans en mélange eau/éthanol. Ces nanoparticules sont ensuite stabilisées dans le même solvant utilisé pour la dissolution du SB, le MEK. Enfin, le composite modèle est obtenu par évaporation du solvant. La dispersion des billes de silice greffées a été étudiée en suspension (i.e., dans le mélange eau/éthanol et MEK) et dans le nanocomposite, en couplant DXPA avec des simulations de Monte-Carlo inverse. Nous avons montré que la qualité de la dispersion dépend du type de silane utilisé et qu’elle est transférée du solvant (MEK) au composite. De plus, l’impact des agents de recouvrement sur les propriétés dynamiques (relaxation α) du système modèle a été étudié par spectroscopie diélectrique, BDS. Nous avons découvert que les agents de recouvrement peuvent plastifier le SB pur, en induisant une baisse significative de la température de transition vitreuse. Dans les composites, la modification de l’état de surface des billes par l’agent de recouvrement n’altère pas la relaxation α. Cependant, la présence de molécules de silane libres dans la matrice polymère du nanocomposite peut également induire un effet de plastification. / Nanocomposite materials made by dispersion of nano-scale fillers in a soft polymer matrix attract industrial interest because of their enhanced properties. During their formulation, filler-filler and filler-polymer interactions affect the dispersion of the particles, and thus the final nanocomposite structure. The filler dispersion as well as dynamical properties control many material properties and in particular the mechanical response of these materials.In this PhD work, we propose the study of nanocomposites made by dispersion of nano-metric hydrophilic silica particles in a soft hydrophobic polymer matrix of styrene/butadiene (SB), which is commonly used in car tire manufacturing. Since coating agents can react with the filler surface tuning the silica-silica and the silica-polymer interactions, they have been used to promote the compatibility between silica and SB. Firstly, we investigate “simplified industrial nanocomposites” obtained by solid mixing of SB and millimetric silica pellets. By a multiscale approach (microscopy and X-ray scattering, SAXS) we show that: i) the presence of a catalyzer (DPG) unambiguously amplifies the action of the coating agent; ii) the increase of silane content induces the progressive decrease of silica aggregate size. The study of the simplified industrial nanocomposites has been extended to a silica/SB model system. We developed an efficient method to surface-modify colloidal silica NPs in ethanol/water, to stabilize them in the same solvent (MEK) used to dissolve the polymer, and to obtain the final model nanocomposite by solvent casting. For the structural characterization of this multi-step system, we propose a combined SAXS-reverse Monte Carlo approach which allows to investigate the dispersion state of surface-modified silica NPs in precursor solvents (i.e., ethanol/water and MEK) and in the polymer matrix. The filler dispersion is influenced by the characteristics of the grafted silane molecule (varying hydrophobicity, grafting function, and density) and it is shown the quality of the dispersion state is maintained from the precursor suspension to the nanocomposite. Moreover, Broadband Dielectric Spectroscopy (BDS) has been used to investigate the role of silane coating agents in the segmental dynamics of model nanocomposites. We show that the silane molecules can act as plasticizers in pure styrene-butadiene matrices, inducing a significant decrease of the glass transition temperature. We also prove that the chemical surface-modification of the fillers does not affect the segmental dynamics (α-relaxation) in nanocomposites, whereas the presence of “free” silane molecules in the polymer bulk can induce a detectable plasticization effect.

Notre génome, véritable mode d'emploi de chaque cellule et organisme, est constamment menacé par de multiples agents endogènes ou exogènes qui endommagent la biomolécule d'ADN. Ces lésions résultantes, de nature diverse, sont notamment impliquées dans les processus de vieillissement cellulaire, de cancérogénèse et de mort cellulaire. Afin de contrer ces effets néfastes, les organismes ont développé différents systèmes de réparation de l'ADN capables de prendre en charge spécifiquement chaque type de dommages. Parmi ces voies métaboliques, la réparation par excision de base (BER) répare chaque jour des dizaines de milliers de dommages, incluant les bases alkylées, oxydées ou désaminées, les sites abasiques ou encore certaines cassures de brin. Dans le présent travail, nous exposons la mise au point d'un nouveau biocapteur pour la détection des activités enzymatiques du BER. L'outil se caractérise par un set de sondes nucléiques autocomplémentaires, fluorescentes ou pro-fluorescentes, immobilisées sur microbilles paramagnétiques. Chaque sonde est modifiée par l'introduction sélective d'une lésion, substrat d'une activité enzymatique ciblée (ADN N-glycosylase, AP-endonucléase). L'activité d'excision/incision de la lésion, conduit à la coupure de la sonde et à la déshybridation de la structure. L'analyse et la quantification du clivage spécifique est réalisée en fluorescence, soit à partir du surnageant par spectrofluorimétrie, soit des billes par cytométrie en flux. Ce dispositif permet la détection multiplexée des activités enzymatiques de protéines purifiées ou au sein d'extraits nucléaires. Egalement, des applications dans le criblage d'inhibiteurs de la réparation de l'ADN sont envisageables dans le cadre de recherches pré-cliniques. L'adaptation de ces tests in vitro à la détection de la réparation de l'ADN in cellulo a fait l'objet de développements préliminaires. / Our genome, which may be considered as the program of each cell and organism, is constantly threatened by multiple endogenous and exogenous agents that damage the DNA biomolecule. These lesions, that show a wide array of structures, are particularly involved in cell aging, carcinogenesis and cell death. To thwart these negative effects, organisms have developed various DNA repair pathways that take in charge the alterations in a specific manner. Among them, the base excision repair (BER) removes every day dozens of thousands of damages, including alkylated, oxidized or deaminated bases, abasic sites or single strand breaks. In this study, we present the development of a new biosensor for the detection of BER enzymatic activities. The tool is characterized by a set of (pro)fluorescent hairpin-shaped DNA probes, immobilized on paramagnetic beads. Each probe is modified by the selective insertion of a lesion, substrate for the targeted repair enzyme (DNA glycosylase, AP-endonuclease). The excision/incision activity of the lesion leads to the cleavage of the probe together with the dehybridization of the structure. The analysis and quantification of the repair process is carried out by direct fluorescence measurements from the supernatant, or by analysis of the functionalized beads by flow cytometry. This device allows the multiplexed enzymatic activities detection of purified proteins or within nuclear extracts. Applications to the screening of DNA repair inhibitors have been successfully initiated. Finally, the adaptation of these in vitro tests to in cellulo detection of DNA repair activities was investigated in preliminary studies.