Les propriétés électrocinétiques de cellules ou de complexes colloïde-cellule visant leur manipulation individuelle dans une puce microfluidique devrait permettre de proposer de nouveaux types d'application dans le domaine des laboratoires-sur-puce et de la recherche biomédicale. Les travaux présentés dans ce manuscrit visent à créer une nouvelle technologie de puce microfluidique permettant la manipulation électrocinétique tridimensionnelle sans contact de particules colloïdales. Cette technologie innovante associée à la réalisation de particules colloïdales multifonctionnelles (Janus) permet d'étudier et de contrôler les interactions d'un complexe colloïde-cellule. Une technologie originale de puce microfluidique tridimensionnelle transparente présentant des niveaux d'électrodes biplanaires est développée sans couche résiduelle classiquement présente dans les technologies de scellement microfluidique. Parallèlement, de nouveaux types de colloïdes anisotropes (Janus) et multifonctionnels (fluorescents, fonctionnalisés avec des protéines…) sont fabriqués en associant la synthèse colloïdale aux techniques de la microélectronique et à la fonctionnalisation de surface. La compréhension et l'exploitation des forces électrocinétiques créées par un champ électrique alternatif et non-uniforme sur la solution colloïdale confinée dans cette puce permettent de proposer une nouvelle méthode de détermination du facteur de Clausius-Mossotti. Ce facteur est un paramètre intrinsèque à la solution colloïdale qui régit la force diélectrophorétique. La détermination expérimentale de ce facteur, combinée à une analyse théorique pour les solutions colloïdales étudiées, définit les paramètres du champ électrique à appliquer (fréquence, tension) pour localiser, séparer ou manipuler en trois dimensions des particules micrométriques de tout type (particules nu, fonctionnalisées, disymétriques…). Le mélange de ces particules dans des milieux de culture cellulaire contenant des cellules de lignées humaines crée des complexes colloïde-cellule. En fonction du type cellulaire, ces complexes se caractérisent par une cellule ayant internalisé des colloïdes ou une cellule décoré par des colloïdes attachés sur sa membrane. Soumis à des forces électrocinétiques déterminées, ces complexes démontrent des réponses duales des particules et des cellules contrôlables indépendamment. En combinant l'ingénierie des particules colloïdales et la technologie microfluidique de manipulation électrocinétique sans contact, des forces locales peuvent être exercées sur les cellules par l'intermédiaire des particules. / The electrokinetics properties of cells or a particles-cell complex for their individual handling in a microfluidic chip open the way to new applications for lab-on-chip or biomedical research fields. The work presented in this thesis aims to create a new technology of microfluidic chips able to perform 3D electrokinetic contactless handling of colloidal particles. Combined with the microfabrication of multifunctional (Janus) colloidal particles this technological breakthrough allows the study and the control of colloidal particles and cells. An innovative technology of a 3D transparent microfluidic chip that integrates two levels of bi-planar electrodes is developed without any residual layer commonly stacked in microfluidic sealing technology. At the same time, a new type of anisotropic particles (Janus) and multifunctional (fluorescence, functionalized with proteins) are microfabricated by combining colloidal synthesis, microelectronics process and surface functionalization techniques. The understanding and the use of electrokinetic forces that are created by a non-uniform electric field in a colloidal solution confined in this chip enable the access to a new method of determination of the Claussius-Mossotti factor. It is an intrinsic parameter of a colloidal solution that rules the dielectrophoretic force. Its experimental determination, combined with a theoretical analysis of the colloidal solution, defines the parameters of the electric field to apply (frequency, applied voltage) in order to localize, separate or handle in 3D all types of micrometer sized particles (plain, functionalized, dissymmetric). The mixing of particles in cell culture mediums that contain human lines cells creates a particle-cell complex. According to the cellular type, those complexes are characterized by a cell that has internalized particles or is decorated by particles attached on its membrane. Submitted to determined electrokinetic forces, those complexes show dual responses that are controllable on both particles or cell independently. By associating the engineering of colloidal particles and this electrokinetic contactless handling microfluidic technology, local forces can be exerted on cells via those particles.

Si la problématique posée par le colmatage des membranes est ancienne, prévoir et adapter les conditions de filtration pour réduire le colmatage reste essentiel pour un meilleur contrôle du procédé. Parce qu'il représente le flux au-delà duquel un colmatage irréversible apparaît à la surface de la membrane, le flux critique peut être un paramètre clef pour ce contrôle. Dans le cadre de cette étude,nous avons cherché à relier la pression osmotique d'une suspension colloïdale aux valeurs expérimentales du flux critique par le biais de la modélisation du procédé de filtration tangentielle. Une procédure de filtration a été développée pour déterminer de façon précise et rigoureuse le flux critique. Cette méthode permet une détermination continue de la réversibilité de l'accumulation de matière lors d'une diminution de flux permettant ainsi de dissocier expérimentalement la part de diminution de flux due à la pression osmotique et celle due à la résistance irréversible. La caractérisation de la suspension au niveau microscopique (potentiel zêta, taille, etc.) a été complétée par une mesure macroscopique, plus originale, de la pression osmotique particulaire par compression chimique. La pression osmotique de la dispersion colloïdale se révèle être une caractérisation pertinente par rapport à la filtration car relative à la résistance des particules à la surconcentration. Un modèle bidimensionnel adapté calculant les profils de concentration en particules dans un procédé de séparation par membranes est utilisé pour confronter théoriquement les mesures expérimentales de pression osmotique aux valeurs de flux critique. La comparaison des valeurs expérimentales et modélisées de flux critique suggèrent que des hétérogénéités de propriétés physiques de la membrane et des particules doivent être prises en compte. Intégrées dans un modèle descriptif, les distributions de flux permettent d'expliquer les différences entre expérience et simulation de la filtration d'une suspension colloïdale.

Les propriétés électrocinétiques de cellules ou de complexes colloïde-cellule visant leur manipulation individuelle dans une puce microfluidique devrait permettre de proposer de nouveaux types d'application dans le domaine des laboratoires-sur-puce et de la recherche biomédicale. Les travaux présentés dans ce manuscrit visent à créer une nouvelle technologie de puce microfluidique permettant la manipulation électrocinétique tridimensionnelle sans contact de particules colloïdales. Cette technologie innovante associée à la réalisation de particules colloïdales multifonctionnelles (Janus) permet d'étudier et de contrôler les interactions d'un complexe colloïde-cellule. Une technologie originale de puce microfluidique tridimensionnelle transparente présentant des niveaux d'électrodes biplanaires est développée sans couche résiduelle classiquement présente dans les technologies de scellement microfluidique. Parallèlement, de nouveaux types de colloïdes anisotropes (Janus) et multifonctionnels (fluorescents, fonctionnalisés avec des protéines...) sont fabriqués en associant la synthèse colloïdale aux techniques de la microélectronique et à la fonctionnalisation de surface. La compréhension et l'exploitation des forces électrocinétiques créées par un champ électrique alternatif et non-uniforme sur la solution colloïdale confinée dans cette puce permettent de proposer une nouvelle méthode de détermination du facteur de Clausius-Mossotti. Ce facteur est un paramètre intrinsèque à la solution colloïdale qui régit la force diélectrophorétique. La détermination expérimentale de ce facteur, combinée à une analyse théorique pour les solutions colloïdales étudiées, définit les paramètres du champ électrique à appliquer (fréquence, tension) pour localiser, séparer ou manipuler en trois dimensions des particules micrométriques de tout type (particules nu, fonctionnalisées, disymétriques...). Le mélange de ces particules dans des milieux de culture cellulaire contenant des cellules de lignées humaines crée des complexes colloïde-cellule. En fonction du type cellulaire, ces complexes se caractérisent par une cellule ayant internalisé des colloïdes ou une cellule décoré par des colloïdes attachés sur sa membrane. Soumis à des forces électrocinétiques déterminées, ces complexes démontrent des réponses duales des particules et des cellules contrôlables indépendamment. En combinant l'ingénierie des particules colloïdales et la technologie microfluidique de manipulation électrocinétique sans contact, des forces locales peuvent être exercées sur les cellules par l'intermédiaire des particules.

L'objectif de ces travaux de thèse est d'étudier l'effet de l'hétérogénéité du milieu poreux et de la stratification sur l'écoulement et le transfert colloïdal par des expériences de traçage non réactif et d'injection d'une suspension colloïdale en colonnes de laboratoire. Cette étude a été appliquée à des milieux à double porosité naturelle (milieu granulaire) et artificielle (sable avec macropore artificiel) en conditions saturées et non saturées. L'effet de la stratification de deux milieux a été étudié par amendement avec un géotextile. La modélisation numérique a été utilisée pour proposer et valider un modèle conceptuel d'écoulement et de transfert dans un milieu sableux rendu hétérogène par introduction d'un macropore artificiel ainsi qu'un modèle d'influence de la stratification. Les résultats expérimentaux et la modélisation ont permi de mettre en évidence l'effet de la stratification comme réducteur du rôle joué par la macroporosité. Alors qu'en conditions non saturées, la stratification n'induit aucune modification de l'écoulement, en saturé, elle réduit les écoulements et les transferts préférentiels au sein de la macroporosité en favorisant la redistribution de l'eau et des solutés de la macroporosité vers la microporosité au droit de la strate. Une des applications pratiques de ce travail concerne la réduction du transfert colloïdal, potentiellement vecteur de pollution, par l'introduction de géotextiles dans le sol des bassins d'infiltration.