Dans un contexte général où les consommateurs se sentent toujours plus concernés par les risques que font peser sur leur santé les biens de consommations, les industriels se doivent d'assurer l'innocuité de leurs produits. Le risque microbiologique en particulier, affecte de nombreux secteurs, dont l'agro-industrie, et il devient donc stratégique de disposer de techniques permettant de l'évaluer de façon sensible et rapide. Le développement de telles techniques est l'objectif du projet européen Microqual, dans lequel s'inscrivent les travaux présentés au cours de cette thèse. Ceux-ci ont concerné la détection proprement dite, par le biais du développement d'un nouveau prototype de suivi impédancemétrique de la croissance bactérienne. Ils ont également porté sur une méthode originale de concentration, basée sur l'utilisation de lectines immobilisées sur des micro-billes paramagnétiques, et ont permis de mettre au point les outils nécessaires au futur développement de cette méthode.

Cette thèse s’inscrit dans le cadre applicatif général de l'analyse de cellules uniques. Afin d’améliorer la sélectivité du tri de cellules uniques, les équipes de FEMTO-ST proposent de contrôler en boucle fermée les trajectoires des cellules entemps réel pendant leur trajet dans les puces dédiées au tri. Dans ce cadre, mes travaux de thèse portent sur une méthode novatrice de détection en temps-réel de la position des cellules, directement intégrée aux puces et basée sur le principephysique de la mesure d'impédance.Lors du passage d’une cellule dans un microcanal, celle-ci vient modifier l’impédance mesurable entre des électrodes placées sur les bords du canal.Une méthode générique permettant de formuler les variations d'impédance en fonction de la position de la particule été proposée (modèledirect).Une méthode d'estimation de la position d’une particule reposant sur les mesures d’impédance a également été proposée (modèle inverse). Celle-ci exploite un filtre de Kalman étendu, permettant la fusion de données en provenance de plusieurspaires d'électrodes, et exploitant les informations disponibles telles que la distribution du bruit de mesure et le modèle dynamique de la particule.La validation de la méthode a été effectuée sur un banc expérimental qui a été développé lors de cette thèse et sur des simulations numériques.Ces travaux montrent la pertinence d’exploiter l’impédancemétrie pour construire un capteur de position de particules immergées dans un microcanal. Cette méthode est une alternative à l’utilisation de microscopes optiques et présente l’avantage d’une grande compacité. / This thesis is part of the general application framework of single cell analysis. In order to improve the selectivity of single cell sorting, FEMTO-ST teams propose to control in closed loop the trajectories of the cells in real time during their journey in the chips dedicated to sorting. In this context, my thesis work focuses on an innovative method for real-time detection of cell position, directly integrated into chips and based on the physical principle of impedance measurement.When a cell passes through a microchannel, it changes the measurable impedance between electrodes placed on the edges of the channel.A generic method for formulating impedance variations as a function of particle position has been proposed (direct model). A method for estimating the position of a particle based on impedance measurements has also been proposed (inverse model). It uses an extended Kalman filter, allowing data from several pairs ofelectrodes to be merged, and exploiting available information such as measurement noise distribution and particle dynamic model. The validation of the method was carried out on an experimental bench that was developed during this thesis and on numerical simulations.This work shows the relevance of using impedance measurement to build a position sensor for particles immersed in a microchannel. This method is an alternative to the use of optical microscopes and has the advantage of being very compact.

Durant les quinze dernières années, une attention particulière a été portée aux effets potentiels sur le vivant des champs radiofréquence (RF) des communications sans fil. Malgré l’intensité des efforts de recherche sur les effets biologiques et sanitaires potentiels des RF, nos connaissances en bioélectromagnétisme n’ont pu suivre l’évolution rapide des technologies.[…] La capacité des RF à provoquer un échauffement des tissus est parfaitement caractérisée. Des recommandations et des normes ont été définies afin de protéger les populations des risques associés, sachant qu’aucun échauffement n’est provoqué par l’exposition aux dispositifs de communications sans fil en raison des très faibles niveaux correspondant. Il est donc capital de savoir si l’on peut totalement exclure que des effets non-thermiques des RF de faible niveau existent au niveau moléculaire au sein de la matière vivante. L’objectif de cette thèse est d’évaluer en temps réel et sur cellules vivantes, les effets de l'exposition aux champs radiofréquences (CW, GSM-1800, UMTS, Wi-Fi, WiMax, LTE), soit au niveau moléculaire en ciblant l’activité du canal ionique TRPV1 qui est l’un des thermorécepteurs de notre organisme, soit au niveau cellulaire en étudiant le comportement général de cellules exposées aux RF à l’aide d’une technique dite « sans marquage », l’impédancemétrie. Le suivi de l’activité du canal TRPV1 sous exposition RF a été réalisé à l’aide de la technique du transfert d’énergie en résonance de bioluminescence (BRET), une technique spectroscopique qui permet l’analyse des interactions protéines-protéines ou des changements de conformation des protéines en temps réel et sur cellules vivantes. La mise en place de cette technique a demandé la construction et la caractérisation de sondes BRET ciblant les canaux TRP ainsi que la mise au point d’un dispositif de mesure déporté des spectres de BRET à l’aide d’une fibre optique, afin de pouvoir exposer les échantillons aux champs RF. La conclusion de ce volet de la thèse est que les RF sont capables d’activer le canal TRPV1 en produisant un échauffement diélectrique, mais qu’en absence d’augmentation de la température il n’y a aucun effet des RF sur le niveau d’activité basal du canal TRPV1 ou sur l’efficacité de la Capsaïcine, un agoniste, à activer TRPV1. L’analyse du comportement global de cellules en culture sous exposition RF a été réalisée à l’aide d’un système xCELLigence modifié afin de pouvoir à la fois suivre le comportement cellulaire par impédancemétrie tout en utilisant le réseau d’électrodes des plaques de mesure pour exposer les cellules mises en culture aux RF. À l’aide de ce dispositif, nous avons pu réaliser des expositions de cellules SH-SY5Y avec un DAS de 24 W/Kg sans provoquer d’échauffement dans le milieu de culture ou dans les cellules. Aucun effet des RF sur le comportement de la lignée de neuroblastome SH-SY5Y n’a cependant pu être mis en évidence, que ce soit en absence ou en présence d’une co-stimulation par un agent chimique. La conclusion de cette étude est que dans des conditions où la température reste stable, nous n’avons pas pu mettre en évidence de modification du fonctionnement du vivant que ce soit au niveau moléculaire ou au niveau cellulaire. Les outils développés dans ce travail de thèse ouvrent, de plus, d’importantes perspectives tant dans le domaine du criblage de médicaments candidats à l’aide du BRET spectral, que pour de futures études en bioélectromagnétisme. / The biological and health effects of radiofrequency (RF) electromagnetic fields (EMF) exposure have been very actively studied in the past two decades, mainly triggered by concerns about potential health effects of wireless communication systems. This physical agent is among the most common, fastest-growing environmental factors, triggering concerns in the population, as even a minor effect of EMF exposure on health could have a major public health impact. While the effects of extremely low frequency electromagnetic fields (ELF EMF) on the excitation of nerve and muscle cells have been well-characterized, the only well-described effects of radiofrequency electromagnetic fields (RF EMF) on biological systems are caused by dielectric-relaxation heating. In contrast, “nonthermal” RF EMF effects refer to other potential biological effects that are not caused by temperature elevation of living tissue or cell culture medium. The investigation of such mechanisms has been hampered by the absence of robust, reliable and repeatable effects occurring as a consequence of low-level exposures, for which temperature elevation is minimal. Moreover, no plausible mechanistic hypotheses have been given concerning thermal or nonthermal effects of low-level RF EMF exposures, making difficult to draw conclusions on the basis of available experimental results. Nonetheless, in 2011, the International Agency for Research on Cancer (IARC) classified RF emitted by cell phones as “possibly carcinogenic to humans” (Class 2B). The characterization of nonthermal biological RF EMF effects is therefore of primary importance for setting safety limits since guidelines and standards have so far been set to protect from the known health risks associated only with the thermal effects of RF EMF exposures. The aim of this basic science thesis work is to characterize the effects of environmental RF EMF signals on living matter at the cellular and molecular level. In this work, we took advantage of modern and innovative methods to observe the behavior of living matter under RF EMF exposure in real time at various specific absorption rates (SAR). In particular, we have studied: (i) Specific RF EMF effects on the ionic channel TRPV1, a major thermoreceptor in our body. TRPV1 activation under RF EMF exposure was studied using the bioluminescence resonance energy transfer (BRET) technique. The implementation of this technique called for the construction and characterization of BRET probes targeting TRP channels as well as the development of a device for the remote measurement of BRET spectra, using an optical fiber. The conclusion of this part of the thesis is that RFs are able to activate the TRPV1 channel by producing a dielectric heating but in the absence of temperature increase there is no RF effect on the basal activation state of TRPV1 and no change of capsaicin maximal efficacy to activate TRPV1. (ii) The analysis of the global behavior of cells in culture under RF exposure was carried out using a modified xCELLigence system where the array of electrodes of the measuring plates were also used to expose the cells to RF EMF. Using this device, we were able to perform SH-SY5Y cell exposures with a SAR of 24 W/kg without causing heating in the culture medium or in the cell culture. No effect of RF EMF on the behavior of the neuroblastoma SH-SY5Y line could however be demonstrated, either in the absence or in the presence of a co-stimulation by a chemical agent. The conclusion of this study is that under conditions where the temperature remains stable, we have not been able to demonstrate any changes in the functioning of living cells, ether at the molecular level or at the cellular level. The tools developed in this thesis work offer important prospects both in the field of drug screening using spectral BRET, and pave the ways for future studies in bioelectromagnetics.

L'embolisation artérielle a récemment émergé sur le plan interventionnel comme un traitement sûr et efficace pour arrêter une hémorragie ou induire la dévascularisation d'un tissu cible. La visualisation directe des agents d'occlusions vasculaires n'est pas toujours possible. L'estimation de leur position dans la branche vasculaire en se basant sur la distribution de produit opaque aux rayons X est partiellement incorrecte. Un marquage des agents d'occlusion vasculaire est souhaitable pour leur suivi par IRM pendant l'intervention ou a posteriori, ce, notamment en raison de la diffusion de l'IRM comme modalité d'imagerie anatomique et interventionnelle. Dans ce travail, plusieurs protocoles ont été établis pour repérer des agents d'occlusion vasculaire marqués avec le SPIO, in situ, in vitro et dans des « conditions » in vivo, sous IRM 1,5T et 3T. Les agents d'occlusion étudiés sont des microsphères de trisacryl (Embosphère®), et des microparticules ou microcapsules utilisées éventuellement comme vecteurs de principes actifs : parmi celles-ci, des microsphères gonflables (Hépasphère™) non dégradables ont été marquées, et des microbilles d'alginate et des systèmes d'émulsions dégradables réalisés par nos soins. L'établissement de protocoles de détectabilité sous IRM a impliqué le choix de séquences et l'optimisation des paramètres de ces séquences, le choix de l'antenne, ainsi que la mise au point d'une quantité suffisante de marqueur dans les agents d'occlusion afin qu'ils soient visibles à l'IRM. Une méthodologie de mesure de faible variation de l'intensité du signal des images IRM a été développée. Un modèle expérimental in vitro a été conçu avec la présence des microparticules marquées dans un environnement simulant grossièrement une vascularisation tumorale et son drainage veineux. La fixation des immunoglobulines (IgG1), équivalentes aux anti-VEGF, sur des microsphères (Hépasphères™) a été étudiée. Enfin, les propriétés mécaniques et électriques des systèmes de microémulsions ont été explorées par ultrasons et par impédancemétrie.

L'étude de la composition corporelle permet notamment le suivi des volumes en eau du corps, du taux d'hydratation, ainsi que celui de la masse grasse, de la masse musculaire et de la masse cellulaire active. La bioimpédance permet d'accéder à ces informations de façon non invasive, indolore et peu coûteuse. Notre objectif a été de développer de nouvelles fonctionnalités pour un prototype de pèse-personne impédancemètre, souhaitant apporter ainsi des outils complémentaires au personnel médical. Pour ce faire, nous avons étudié des populations d'enfants et d'adultes sains et pathologiques. Nous avons utilisé un impédancemètre multifréquence, un prototype de pèse-personne impédancemètre permettant d'obtenir en plus de la masse grasse, les résistances à basse et haute fréquence, ainsi qu'un DEXA. Nous avons ainsi développé des équations permettant au prototype de donner les volumes en eau extracellulaire et totale, en plus de la masse maigre du corps. Nous avons aussi confirmé l'intérêt de paramètres tels que la phase ou la masse cellulaire pour le suivi de la dénutrition ou proposé de nouveaux indices tels que le rapport de la résistance extracellulaire sur la résistance à fréquence infinie. Nous avons aussi montré la fiabilité de l'impédancemétrie pour le suivi de surcharges hydriques et des thérapies associées.

Dans la lutte contre le cancer, la médecine personnalisée est une stratégie nécessaire et très prometteuse. En effet, il est primordial de pouvoir tester l'innocuité et l'efficacité de médicaments anticancéreux sur des échantillons provenant du patient lui-même, du fait de la diversité des réponses entre patients. Le but est d'améliorer la performance des soins et d'éviter des traitements inutiles et même parfois nocifs pour le patient. Ainsi, l'exemple de la chimiothérapie illustre parfaitement cette stratégie. Le cout élevé des molécules thérapeutiques, la nocivité de ces molécules et les réponses variées des patients face à une même molécule implique le recours aux tests de ces molécules sur un échantillon provenant du patient lui-même. Il en résulte un intérêt croissant dans le développement de tests simples, robustes et peu couteux permettant l'évaluation de la chimio sensibilité de cellules biologiques issues d'une biopsie. Les problématiques liées à la mise en place de tels tests sont la quantité de cellules disponibles dans une biopsie, la diversité des molécules thérapeutiques à tester et également le choix d'une technique de détection permettant de suivre la cinétique d'action des molécules sur les cellules biologiques. L'une des réponses à la faible quantité de cellules est le développement de tests dans des environnements microfluidiques qui nécessitent donc l'intégration et la miniaturisation d'une technique de détection. La stratégie qui sera étudiée dans cette thèse est l'utilisation de l'impedancemetrie par le biais d'électrodes inter digitées d'Oxyde d'Etain et d'Indium (ITO) pour l'analyse quantitative de l'état de cellules de cancer du sein pour des applications de criblage de médicaments anticancéreux. Ce matériau présente l'avantage d'être transparent permettant ainsi des mesures d'impédance qui pourrait être couplées à des mesures optiques dans un environnement microfluidique. Dans une première partie, nous avons caractérisé et étudié des électrodes inter digitées d'or et d'ITO pour des mesures d'impédance avec des cellules cancéreuses. Cette caractérisation par spectroscopie d'impédance réalisée dans des solutions de milieu de culture en présence et absence de cellules, ont permis de démontrer que la différence de sensibilité entre ces deux matériaux provenait à la fois d'une différence de comportement résistif mais également d'une différence d'impédance interfaciale, dans les deux cas à la défaveur de l'ITO. Après ce constat, nous avons donc poursuivi l'étude afin d'évaluer les capacités de l'ITO pour des mesures de chimio sensibilité de la molécule 5-fluorouracil et également proposé une stratégie pour améliorer la sensibilité de l'ITO tout en conservant sa transparence. La stratégie développée consiste en la modification de la surface de d'électrodes d'ITO avec de l'oxyde d'iridium pour améliorer la sensibilité de l'ITO, tout en gardant sa transparence. Cette approche est intéressante pour pouvoir concevoir un dispositif transparent et facile à coupler avec un système d'observation microscopique dans un environnement microfluidique / In the fight against cancer, personalized medicine is a necessary and very promising strategy. In fact, it is essential to be able to test the safety and effectiveness of anticancer drugs on samples from the patient, due to the diversity of responses between patients. The aim is to improve the performance of health care and avoid unnecessary and sometimes harmful treatments. Thus, chemotherapy perfectly illustrates this strategy. The high cost of therapeutic molecules, the harmfulness of these molecules and the varied responses of patients involve the use of tests with chemotherapeutic molecules on samples coming from cancer patients. This results in a growing interest in the development of simple, robust and inexpensive tests for assessing the chemo sensitivity of biological cells from a biopsy. The problems related to carrying out such tests are the quantity of cells available in a biopsy, the diversity of the therapeutic molecules to be tested and also the choice of a detection technique, able to monitor the kinetics of action of the molecules on the biological cells. One solution to the small amount of cells is to carry out the tests in microfluidic environments which therefore require the integration and miniaturization of a detection technique. The strategy that will be studied in this thesis is the use of electrical impedance with interdigitated electrodes of indium tin oxide (ITO) for the quantitative analysis of the state of breast cancer cells for screening applications of anticancer drugs. This material has the advantage of being transparent allowing impedance measurements that could be coupled to optical measurements in a microfluidic environment. In the first part, we characterized and studied interdigitated electrodes of gold and ITO for impedance measurements with cancer cells. This impedance spectroscopy characterization carried out in culture medium solutions, in the presence and absence of cells, demonstrated that the difference in sensitivity between these two materials comes from a difference in resistive behavior and also from a difference in interfacial impedance, in both cases to the disadvantage of ITO. After this, we continued the study to evaluate the capabilities of ITO for chemosensitivity measurements using the molecule 5 fluorouracil and we suggested a strategy to improve the sensitivity of ITO while maintaining its transparency. The strategy developed consists of modifying the surface of ITO electrodes with iridium oxide to improve the sensitivity of the ITO, while keeping its transparency. This approach is interesting for developing a transparent device and easy to couple with a microscopic observation system in a microfluidic environment

Ce travail consiste en l'optimisation des conditions de dépôt par ablation laser à température ambiante du carbone et de l'alumine. Il se divise en huit parties principales. Le premier chapitre est une présentation du contexte de l'émergence des couches de carbone et d'alumine par ablation laser. le deuxième chapitre décrit les dispositifs expérimentaux et modes opératoires mis en œuvre, qu'ils concernent l'élaboration des films aussi bien que la détermination de leurs propriétés. Les deux chapitres suivants s'intéressent à résoudre les principaux défauts de l'ablation laser à savoir : La projection de particules solides lors du dépôt (chapitre 3) L'inhomogénéité en épaisseur des couches réalisées sur sustrat fixe (chapitre 4) le cinquième chapitre est consacré à l'étude des propriétés structurelles, électriques et mécaniques des couches de ta-C en fonction des conditiond de dépôt. Ce travail s'appuie sur une étude de l'énergie des ions dans le panache plasma (spectroscopie, imagerie résolue temporellement et spectralement) et leur rôle dans la croissance des films de ta-C (analyses Raman, XPS, MET...). le sixième chapitre reprend une étude similaire à ce qui a été présenté dans le chapitre précédent en l'applicant aux couches minces d'alumine par ablation laser. Enfin le dernier chapitre est consacré à l'intégration, dans les composants MEMS RF, des films d'alumine et de ta-C déposés par ablation laser. Ce chapitre rapporte les résultats de la collaboration menée avec l'IRCOM pour réaliser des composants fonctionnels (microcommutateurs RF, filtres accordables ...) à base de couches minces déposées par ablation laser.

A partir de paramètres électriques comme le courant de court-circuit, la tension transépithéliale et la conductance, il est possible d'étudier des phénomènes de transports électrogéniques à travers un tissu biologique. Ces mesures peuvent contribuer à l'étude d'une molécule en fonction de sa traversée et de son action sur les propriétés de l'épithélium, de son mécanisme de transport, de sa relation concentration-passage ou encore de ses effets comparés à des molécules de référence. Le travail réalisé porte sur la conception d'un système automatisé permettant de mesurer ces trois paramètres électriques. Le principe de base utilisé est celui de la chambre d'Ussing. Il consiste à monter un tissu biologique entre deux demi-chambres pour isoler ses cotés muqueux et séreux et à mesurer ses paramètres électriques par l'intermédiaire d'électrodes de courant et de référence. L'étude a abouti à la réalisation d'une chambre d'Ussing modifiée pour optimiser la circulation de la solution physiologique et homogénéiser la densité de courant électrique traversant le tissu biologique. Des électrodes en acier inoxydable ont également été étudiées pour démontrer leur utilisation possible dans la chambre. Le principe de mesure retenu est fondé sur un correcteur défini d'après une fonction de transfert simplifiée du système. Une modélisation plus précise des interfaces et de différents tissus a été réalisée par impédancemétrie et a été utilisée pour la simulation et la calibration du correcteur. Les résultats obtenus ont été confrontés à un système de référence et permettent d'envisager par la méthode proposée une utilisation améliorée des chambres d'Ussing.

L'étude de la composition corporelle permet notamment le suivi des volumes en eau du corps, du taux d'hydratation, ainsi que celui de la masse grasse, de la masse musculaire et de la masse cellulaire active. La bioimpédance permet d'accéder à ces informations de façon non invasive, indolore et peu coûteuse. Notre objectif a été de développer de nouvelles fonctionnalités pour un prototype de pèse-personne impédancemètre, souhaitant apporter ainsi des outils complémentaires au personnel médical. Pour ce faire, nous avons étudié des populations d'enfants et d'adultes sains et pathologiques. Nous avons utilisé un impédancemètre multifréquence, un prototype de pèse-personne impédancemètre permettant d'obtenir en plus de la masse grasse, les résistances à basse et haute fréquence, ainsi qu'un DEXA. Nous avons ainsi développé des équations permettant au prototype de donner les volumes en eau extracellulaire et totale, en plus de la masse maigre du corps. Nous avons aussi confirmé l'intérêt de paramètres tels que la phase ou la masse cellulaire pour le suivi de la dénutrition ou proposé de nouveaux indices tels que le rapport de la résistance extracellulaire sur la résistance à fréquence infinie. Nous avons aussi montré la fiabilité de l'impédancemétrie pour le suivi de surcharges hydriques et des thérapies associées.

L’assemblage par collage est une technique de plus en plus utilisée dans les industries aéronautique, aérospatiale et médicale. L’étude des assemblages est d’une grande importance et nécessite le développement de techniques de contrôle des performances, autant au niveau mécanique, que physico-chimique. Dans cette étude nous abordons plusieurs problématiques liées au collage. La première approche est purement mécanique, avec la mise au point d’un essai à simple levier ou « Single Cantilever Beam adhesion test » (SCB), variante du « Wedge test » dans lequel une charge constante est appliquée a une extremité libre d’un adhérent causant un moment de flexion nécessaire à la rupture du joint. A travers cet essai, différents phénomènes (pré-fissuration, plasticité, …) on été observés et traités afin d’analyser les énergies de ruptures dans le joint de colle.L’une des préoccupations majeures, et seconde approche de ce projet sur l’étude des assemblages collés, est le vieillissement humide. Les effets du vieillissement sont analysés par SCB. La compréhension du vieillissement doit passer par une meilleure connaissance de la cinétique de diffusion, une technique d’impédancemétrie, dérivée de l’électrochimie, est donc proposée pour analyser la prise d’eau dans le joint collé. L’atout de cette dernière technique est de donner accès à la cinétique de diffusion in situ et dans des géométries proches des échantillons utilisés lors des essais mécaniques. / Structural adhesives are increasingly used in the aeronautics, aerospace and medical industrie, leading to the necessity to develop new tools for the assessment of adhesives, both mechanically and physico-chemically.This study deals with two types of technique to quantify the durability of adhesive joints. The first approach is purely mechanical. We adopt a Single Cantilever Beam adhesion test (SCB) in which a constant load is applied at the free end of a flexible beam, leading to a couple inducing fracture of the adhesive joint. From this test, different phenomena have been observed (pre-crack behaviour, plasticity, ...), analysed and quantified, to give a better appraisal of adhesive fracture.The second approach deals with adhesive ageing in water. The characterisation of water diffusion is of prime importance in many practical situations. A technique of impedancemetry, based on electrochemical techniques, is applied to the characterisation of diffusion and absorption properties of adhesives. A major asset of this technique is to be able to follow diffusion measurement in situ.