L'interaction entre des lignes de contact et un écoulement hydrodynamique intervient dans de nombreuses situations industrielles ou fondamentales. Nous étudions la dynamique de gouttes ruisselantes, tout d'abord le long de leur axe de symétrie (Partie I) puis à trois dimensions (Partie II) en mesurant la distribution d'angle de contact autour de cette goutte par réfraction d'une nappe laser et le champ de vitesse à la surface. Nous montrons que la situation est localement à deux dimensions, dans la direction perpendiculaire à la ligne de contact. L'angle de contact ne dépend que de la vitesse de la ligne de contact mesurée perpendiculairement à elle-même, vitesse qui coïncide avec la vitesse locale du liquide, dont la composante tangentielle s'annule à la ligne de contact. Dans le cas de lignes singulières (en coin), ou deux normales coexistent en un point, nous montrons que le champ de vitesse est autosimilaire à l'approche de ce point, Nous abordons également (Partie III) la question des lignes de contact statiques dans un écoulement à travers l'étude de la stabilité et de la forme de zones sèches dans un film liquide en écoulement. Nous montrons en particulier l'influence du mouillage sur ces objets et nous mesurons l'angle de contact tout autour de ces zones sèches. Nous montrons que la distribution d'angle de contact est, suivant l'histoire de la zone sèche, uniforme et bloquée à l'angle d'avancée (ce qui permet de construire des modèles simples) ou au contraire relativement désordonnée, Enfin nous mettons en évidence un phénomène encore non reconnu de stick-slip de la ligne de contact lorsqu'une goutte de suspension colloïdale en cours de séchage avance (interaction entre dépôt et hydrodynamique).

In this thesis, we discuss some physical phenomena related to the manipulation of droplets, and their possible use as alternatives for digital microfluidics. In a first part, the behavior of droplets in the vicinity of another liquid interface is explored. We have shown that droplets can be kept bouncing onto a liquid interface, provided this latter is vertically vibrated. The bouncing mechanisms are investigated in several configurations. Bouncing droplets may also experience self-propulsion and partial coalescence. The second part of this thesis is dedicated to the study of droplets sliding down fibers. The basic microfluidic operations are advantageously implemented with simple fiber networks. Dans cette thèse, nous discutons plusieurs phénomènes physiques liés à la manipulation des gouttes et à leur application possible en temps qu'alternatives à la microfluidique digitale actuelle. La première partie est consacrée au comportement de gouttes au voisinage d'une autre interface liquide. Nous avons prouvé qu'une goutte peut rebondir indéfiniment sur une interface liquide vibrée verticalement. Les mécanismes du rebond sont analysés en détail pour plusieurs configurations. Sous certaines conditions, les gouttes rebondissantes peuvent également s'auto-propulser ou coalescer partiellement. Dans une seconde partie, nous étudions le glissement des gouttes sur des fibres. Les opérations microfluidiques de base sont avantageusement réalisées sur de simples réseaux de fibres.

Thèse (Ph.D.)--Université Laval, 2004. / Bibliogr.: f. 242-298. Publié aussi en version électronique.

La combustion d’hydrocarbures représente encore aujourd’hui une part très majoritaire de la production d’énergie mondiale, en particulier dans la propulsion aérospatiale. La plupart des brûleurs industriels sont alimentés par un carburant sous forme liquide, qui est injecté directement dans la chambre de combustion, ce qui génère une forte interaction entre le spray, l’écoulement turbulent et la zone de combustion. Cette interaction a déjà largement été étudiée, mais certaines questions restent ouvertes. En particulier, la prise en compte de la combustion de goutte isolée dans le cadre de la Simulation aux Grandes Echelles (‘Large Eddy Simulation’ LES) de géométries complexes reste un problème difficile. L’objectif de cette thèse est d’améliorer la modélisation de la combustion du spray dans le contexte de la LES de configurations complexes avec une approche Euler-Lagrange. Dans un premier temps, un modèle de combustion de gouttes incluant les différents régimes pour la LES, appelé MustARD pour « Multi-State Algorithm for Reacting Droplets », est proposé et validé dans plusieurs configurations académiques de complexité croissante. Dans un deuxième temps, MustARD est évalué sur une configuration de brûleur expérimental et comparé aux modèles classiques sans combustion de gouttes isolées. Cette étude montre que le régime de combustion de gouttes isolées n’est pas négligeable dans une telle configuration et qu’il modifie la structure de flamme. D’autre part, les comparaisons avec les résultats expérimentaux montrent que le modèle MustARD permet d’améliorer la précision des LES de sprays turbulents réactifs.

La microfluidique en gouttes permet l’analyse de systèmes biochimiques à grand débit, en utilisant de faibles volumes réactionnels, à faible coût. Dans l’état de l’art, le volume des gouttes varie entre 2 pL et 4 nL, un millier à million de fois inférieur au volume d’un puit de microplaque. Miniaturiser d’avantage les volumes réactionnels permettrait d’augmenter encore les débits d’analyse, de d’avantage réduire les coûts et ouvre également l’accès à de nouvelles études, telles que les études sur molécule unique ou la délivrance de médicaments. La première partie de ce travail de thèse concerne la miniaturisation des opérations classiques de la microfluidique en gouttes à l’échelle femtolitrique: production, stabilité, biocompatibilité, mélange en gouttes, coalescence, tri, division de gouttes, production à la demande ont été démontrés avec succès sur des gouttelettes femtolitriques. Le tout a été permis en restant dans les limites de la technologie PDMS et des standards classiques de la lithographie. La seconde partie s’intéresse à certaines applications biologiques issues du couplage de gouttelettes picolitriques et femtolitriques. Une plateforme permettant l’encodage in situ de gouttes à l’aide de codes barres d’ADN lisibles par séquençage a été construite. Deux autres applications ont été envisagées: un projet concernant l’émergence des chromosomes dans un monde prébiotique qui nécessitait des facteurs de dilution de l’ordre de 1:1000 et un projet de cartographie génotype-phénotype sur une enzyme qui nécessitait deux dilutions par 10 ont bénéficié de la miniaturisation à l’échelle femtolitrique. / Droplet-based microfluidics has demonstrated its multiple advantage over standard microtiter plates technologies by increasing analysis throughputs, decreasing costs and enabling the encapsulation of single cells into individual reservoirs. In the state-of-the-art, droplet volumes usually range from 2 pL to 4nL, one thousand to one million times smaller than microtiter plate wells. This PhD work focuses on the miniaturization of biological reservoirs down to the femtoliter scale which would enable an increase of throughputs of analysis and open up access to new studies, such as single-molecule studies or drug delivery. The first part of this manuscript concentrates on the miniaturization of elementary operations of droplet-based microfluidics down to the femtoliter scale. Production, mixing, electrocoalescence, DEP sorting, splitting, drop-on-demand, stability, biocompatibility were successfully demonstrated on droplets of a few micrometers diameter. The second part of this manuscript focuses on some biological applications that were developed with the LBC. A platform for the in situ encoding of droplets with DNA barcodes readable per sequencing was developped. Two other applications were envisioned: a project studying the conditions that prevailed the apparition of chromosomes in an early RNA world and a genotype-phenotype mapping project benefited from downscaling to the femtoliter scale.

La goutte est une maladie inflammatoire avec dépôt de cristaux d'urate de sodium au niveau de l'articulation. Au cours de ce projet, nous avons démontré que les cristaux en contact avec l'os avaient une interaction fonctionnelle. Cette interaction modifie de façon significative certaines fonctions de formation de l'ostéoblaste telle la production de phosphatase alcaline et l'ostéocalcine, ainsi que la sécrétion de certains éléments impliqués dans la régulation du remodelage tel la PGE2> l'IL-6 et l'IL-8. L'interaction cristaux-ostéoblastes modifie aussi l'adhérence des neutrophiles, premières cellules arrivées au site inflammatoire, aux ostéoblastes.

L'arthrite est une des principales causes d'invalidité et d'utilisation des soins de santé au Canada. Environ 16 % des Canadiens âgés de 15 ans et plus souffrent d'arthrite et l'incidence devrait atteindre 20 % de la population d'ici 2031. Les médicaments utilisés pour traiter l'arthrite ciblent les médiateurs pro-inflammatoires. Malheureusement, tous les patients ne répondent pas bien à ces médicaments et beaucoup souffrent d'effets secondaires indésirables. L'inflammation étant régulée par un équilibre délicat entre les voies d'inhibition et d'activation des cellules immunitaires, une stratégie thérapeutique alternative consiste à cibler les molécules et les voies de signalisation anti-inflammatoires. Les récepteurs inhibiteurs sont ainsi devenus un sujet d'étude important étant donné leur potentiel thérapeutique. Toutefois, leur fonctionnement et leur rôle dans les maladies inflammatoires demeurent peu connus, nécessitant ainsi leur étude. C'est dans ce but scientifique que cette thèse s'est déroulée. Mes travaux se sont basés sur l'identification du récepteur inhibiteur CLEC12A appartenant à la famille des lectines, dont notre laboratoire a montré qu'il était impliqué dans la pathogenèse de la goutte. Le récepteur CLEC12A est un récepteur inhibiteur exprimé chez les cellules d'origine myéloïde, dont les ligands naturels et la voie de signalisation restent à identifier. Toutefois, CLEC12A possède un motif ITIM ("Immunoreceptor Tyrosine-based Inhibitory Motif") caractéristique des récepteurs inhibiteurs. Les motifs ITIM recrutent des phosphatases qui, à leur tour, inhibent les voies de signalisation activatrices des cellules immunitaires et permettent ainsi de moduler leurs fonctions. Cette capacité de modulation négative de l'activation des cellules myéloïdes du récepteur CLEC12A a été observée dans plusieurs études faisant de lui un candidat pertinent à étudier. CLEC12A apparaît notamment comme un facteur commun dans le syndrome de Behçet's, l'arthrite rhumatoïde et la goutte qui sont caractérisés par des épisodes inflammatoires aigus impliquant le neutrophile. Les études montrent que la diminution ou l'altération du récepteur CLEC12A est associée avec une inflammation exacerbée dans ces pathologies. De plus, en absence de CLEC12A, le neutrophile arbore une réponse accrue à des stimuli pro-inflammatoires. De ce fait, le laboratoire a étudié le rôle du récepteur CLEC12A dans la pathologie de la goutte dont l'agent étiologique connu, les cristaux d'urate monosodique (UMS) provoquent une inflammation exacerbée caractérisée par la suractivation des neutrophiles. Les cristaux d'UMS diminuent l'expression de CLEC12A à la surface des neutrophiles ce qui aboutit à une réponse inflammatoire accrue. De plus, nous savons que l'une des molécules (la colchicine) utilisées pour traiter les patients souffrant de la goutte prévient la diminution de l'expression de CLEC12A à la surface des neutrophiles par les cristaux d'UMS. Or, chez le neutrophile, notre laboratoire a démontré qu'en réponse aux cristaux d'UMS CLEC12A régule négativement l'influx de calcium intracellulaire, la phosphorylation des protéines intracellulaires ainsi que la production d'IL-8. Ceci a mené à notre hypothèse que CLEC12A modulerait la réponse des neutrophiles en ciblant les différentes voies de signalisation intracellulaires activées par les cristaux d'UMS. Ainsi, notre premier objectif était de mieux identifier les voies de signalisation modulées par CLEC12A chez le neutrophile en réponse aux cristaux d'UMS. Cependant, le manque de connaissance sur la signalisation du récepteur CLEC12A limitait notre approche afin de comprendre son rôle et les mécanismes altérant son expression dans la pathogenèse de la goutte. Ainsi, notre deuxième objectif était de caractériser les mécanismes moléculaires impliqués dans la signalisation de CLEC12A. Dans la pathologie de la goutte, nos travaux ont identifié l'axe de signalisation p38-MAPK-PI3K Akt dans la production de l'IL-8 par les neutrophiles en réponse aux cristaux d'UMS. Nous avons démontré la rapide phosphorylation du récepteur CLEC12A par une kinase Src dans les domaines membranaires résistants aux détergents (DRM) enrichies en flotilline-1 en réponse aux cristaux d'UMS, ce qui révèle qu'avant d'être dégradé par les cristaux, le récepteur module l'activation des neutrophiles par l'axe de signalisation p38-MAPK-PI3K-Akt. Afin de pouvoir comprendre les mécanismes dérégulant l'expression de CLEC12A dans la goutte, nos travaux ont identifié des mécanismes de signalisation du récepteur qui étaient encore méconnus. Nos résultats rapportent les premières évidences des mécanismes de signalisation du récepteur CLEC12A. Nous démontrons le rôle des cystéines 118 et 130 de la tige extracellulaire de CLEC12A dans son oligomérisation, expression, et signalisation selon un mécanisme de modification post-traductionnel des cystéines.

Les cristaux d'UMS sont connus comme agents étiologiques de la goutte et au cours de l'accès goutteux, le neutrophile est une des premières cellules immunitaires à s'accumuler en grand nombre au site inflammatoire dans les cavités articulaires. Durant l'inflammation, le plasma traverse les vaisseaux sanguins et transporte les protéines vers le site enflammé. Plusieurs protéines plasmatiques peuvent alors servir à recruter le neutrophile, comme les composants du complément (C5a ), les kinines (bradykinine ou agonistes du récepteur B1) et bien d'autres. Au début de l'inflammation, initialement les cristaux interagissent probablement avec le plasma et ses protéines recouvrent les cristaux. Cependant, nous savons que le plasma ayant servi à l'opsonisation des cristaux d'urate monosodique subit des changements conduisant à l'activation du système du complément. Ainsi, les objectifs de ce mémoire étaient de confirmer la libération du facteur C5a et de la bradykinine dans le plasma humain activé par les cristaux d'urate monosodique et de déterminer les effets de ces facteurs plasmatiques sur l'activité du neutrophile. La chimiotaxie a été étudiée en réponse au plasma activé par les cristaux, mettant en évidence la présence de facteurs du complément, en particulier le C5a qui est majoritairement responsable de cette chimiotaxie. Le plasma activé provoque aussi une mobilisation de calcium par l'intermédiaire du C5a et certainement par d'autres facteurs qui ne sont pas encore identifiés. Les résultats obtenus ont aussi montré que l'agoniste du récepteur B1 des kinines induisait la migration des neutrophiles. En revanche, nous n'avons pas réussi à identifier la bradykinine dans le plasma ayant servi à l'opsonisation des cristaux d'UMS. Les résultats de notre travail servirons de base pour des études subséquentes sur le plasma activé par les cristaux d'UMS.

Promue comme la technique d'irrigation en théorie la plus efficiente, et mise à contribution pour régler les grandes crises d'eau, le goutte à goutte se diffuse très rapidement de par le monde. La perspective d'une technique étudiée en station expérimentale, sans utilisateurs, et en définitive idéalisée, nous a d'emblée interpellé. Rejetant une vision normative du goutte à goutte (ce qu'il devrait être/faire), nous l'avons étudié en pratique, en interactions avec une multitude d'acteurs (ce qu'est le goutte à goutte et ce qu'il fait et pour qui). Notre objectif est d'analyser comment la pratique de cette innovation technique a changé la technologie et les trajectoires socioprofessionnelles des acteurs, et l'impact sur les efficiences d'irrigation. Nous montrons comment les acteurs locaux ont pris le contrôle de l'innovation, et des responsabilités dans des domaines que l'on pensait réservés aux ingénieurs dans la production, l'utilisation et la diffusion de l'innovation. Ces initiatives locales croisent et renforcent les programmes étatiques de développement du goutte à goutte. La technologie a séduit un grand nombre d'acteurs non-conventionnels qui ont changé la technologie, mais ont changé aussi eux-mêmes. La diffusion réussie du goutte à goutte assure leur promotion socioprofessionnelle, et à leur tour ils vont attirer d'autres utilisateurs dans le monde du goutte à goutte. C'est là où se résume la force du goutte à goutte comme objet technique autour duquel de puissants réseaux sociotechniques se sont construits. Le bricolage a permis la conception de systèmes plus adaptés aux conditions locales, mais aussi un apprentissage de la technique pour apprivoiser le changement. D'une technologie importée accessible à une minorité de grands agriculteurs, une pluralité de systèmes de goutte à goutte de proximité sont désormais accessibles au plus grand nombre. Enfin, les performances d'irrigation de ces systèmes sont hétérogènes, certains agriculteurs irriguant 3-4 fois plus que les volumes nécessaires aux besoins de la culture. Ces performances peuvent être expliquées par des pratiques d'irrigation favorisant le confort hydrique de la plante, traduisant ainsi les logiques des acteurs. Aujourd'hui, « l'économie d'eau » est un objectif irréalisable, qui n'est prioritaire pour aucun des acteurs, y compris l'Etat-promoteur. Nous concluons qu'il serait intéressant de mobiliser les acteurs non-conventionnels pour en faire des alliés pour intégrer le concept d'économie d'eau sur le terrain auprès des utilisateurs. / Abstract Promoted as the most efficient irrigation technology, able to contribute to solving the major current water crises, drip irrigation spreads quickly throughout the world. The perspective of an idealized technology with a theoretical efficiency studied in experimental stations without users struck us immediately. Rejecting a normative view of drip irrigation (what it should be/do), we studied it in practice, interacting with a multitude of actors focusing on what it does and for whom. Our objective is to analyse how the practice of this technical innovation has changed the technology and the socio-professional pathways of different actors involved in drip irrigation, and analyse the impact on actual irrigation efficiencies. We show how local actors took control of the innovation taking responsibility in spheres once thought reserved for engineers in the production, use and dissemination of innovation. These local initiatives crossed and strengthened state development programs promoting drip irrigation. The technology attracted a large number of non-conventional actors who changed the technology, but also changed themselves. The successful diffusion of drip irrigation ensures their socio-professional promotion, and they in turn will attract more users to the world of drip irrigation. This constitutes the strength of drip irrigation, which is a technical object around which powerful socio-technical networks were built. Bricolage helped design systems better suited to local conditions, but was also a learning process to incorporate change. From an imported technology accessible to a minority of large farmers, a plurality of drip systems is now accessible for a wide diversity of farmers. Finally, the performance of irrigation systems is heterogeneous, some farmers irrigating 3-4 times the volume necessary for crop water requirements. This performance can be explained by irrigation practices favouring a water comfort to crops, reflecting the logic of the actors. Today, "water saving" is an unattainable goal, as it is not a priority for any of the actors, including the state. We conclude that it would be interesting to engage non-conventional actors as allies in order to promote the concept of water saving on the field with users.

La maîtrise du transfert de nitrates sous les systèmes irrigués est un objectif primordial dans l’agriculture moderne. Celle-ci exige la recherche, surtout en plein champ, de conduire une stratégie optimale de fertigation. Dans ce but, un protocole expérimental sur une parcelle de 2 ha a été mis en oeuvre pour analyser le devenir de l’’azote sous différents scénarios d’irrigation et de fertilisation d’une culture de maïs. Dans l’articulation de ce travail, et pour pouvoir étudier la dynamique de l’azote en systèmes irrigués, nous avons tout d’abord réussi à définir et clarifier la relation ambigüe entre la méthode d’irrigation (irrigation gravitaire, par aspersion ASP, en goutte à goutte de surface GGS ou enterré GGE) et les différentes transformations de l’azote (Fixation, Minéralisation, Immobilisation, Nitrification, Dénitrification et Volatilisation). Cette relation, peu claire et non traitée dans d’autres études similaires, a été étudiée en mettant l’accent sur l’effet de certains facteurs, comme par exemple, l’humidité de sol et sa température, sur l’activité microbienne et donc sur les différentes transformations de l’azote (comme la minéralisation) et ce en mettant en avant la relation directe ou indirecte avec les méthodes d’irrigation. Une différence significative a été observée pour la minéralisation in situ entre les traitements sans aucun apport d’engrais menés sous les deux méthodes d’irrigation GGE et ASP. Une méthode manuelle d’analyse a été ensuite mise au point et validée pour déterminer la concentration en azote dans les échantillons de sol prélevés dans le cadre de ce travail. Cette méthode peu onéreuse pourrait être profitable aux agriculteurs. Les données issues de l’ensemble des traitements ont été utilisées pour modéliser les flux hydriques et azotés à l’aide de modèle HYDRUS-2D pour les systèmes par aspersion et en goutte à goutte enterré. L’analyse de sensibilité aux paramètres liés au transfert de nitrates du modèle de transfert a permis d’estimer la dynamique azotée pour d’autres contextes hydro-pédo-climatiques plus complexes. En conclusion, la présente thèse a permis d’améliorer la connaissance du fonctionnement de la fertigation en irrigation goutte à goutte enterré par comparaison avec l’aspersion, en milieu méditerranéen, en vue d’une diminution des entrants agrochimiques dans un contexte d’économie de la ressource en eau. / The main goal in modern agriculture is the control of nitrogen fluxes in agricultural soils under the irrigation techniques. This objective requires a lot of research, especially in the field, to escort an optimal strategy of fertigation. For this purpose, an experimental protocol has been applied to follow the soil nitrogen fate for various irrigation and fertilization scenarios, during two intensive field campaigns in maize plots. In the articulation of our work, and to be able to examine the nitrogen dynamics in unsaturated agricultural soils under irrigated systems, we succeeded firstly to determine and clarify the ambiguous relation between the irrigation techniques (flood irrigation, sprinkler irrigation, surface and subsurface drip irrigation) and the different nitrogen transformations (Fixation, Mineralization, Immobilization, Nitrification, Denitrification and Volatilization) in agricultural contexts. This relationship, which is unclear and untreated in other similar studies, has been reviewed by studying the impact of certain factors, such as soil moisture and soil temperature under different irrigation techniques, on microbial soil activity and therefore on the nitrogen transformations (such as mineralization). A significant difference of mineralization was observed in maize plots with no fertilizer application treatment between sprinkler irrigation and subsurface drip irrigation. The experimental data collected have been used to analyze the water and nitrogen fluxes for various initial conditions and fertilisation strategies under sprinkler and subsurface drip irrigation by using the HYDRUS-2D model. Analyzing the sensitivity of nitrogen fluxes parameters using HYDRUS-2D allowed to estimate the nitrogen dynamics under more complex agro-pedoclimatic contexts. In conclusion, the present study allowed to improve the fertilization knowledge under both the sprinkler and subsurface drip irrigation in a Mediterranean environment.