<div>Hydrogels are soft polymers comprising of a three-dimensional network capable of absorbing significant amount of water or other aqueous bio-fluids. A group of hydrogels, commonly referred to as “environmentally-sensitive hydrogels” are designed such that they can undergo reversible volume change in response to a variety of physical and chemical stimuli. Although mechanically soft, embedding organic and inorganic micro and nanoparticles into the hydrogel network increases their mechanical strength. Hydrogels have been extensively explored as scaffolding for tissue engineering or smart materials for biomedical transducers. Hydrogels in the mm-scale are typically associated with a slow response time. At micro-scale, however, they can be fast and useful as smart sensors and actuators. Several micromachining techniques have been employed to pattern thin films of hydrogel. Micro-patterning methods are based on traditional fabrication techniques such as lithography, etching, and micro-molding. These methods are time consuming, expensive, and do not scale well to large production. In addition, they have limitations as related to processing composite gels (e.g., UV light cannot penetrate through the gel and particles can mask dry etch). In this work, we outline a doctoral research aimed at alternative solution based on direct laser patterning, allowing low cost, fast, and scalable fabrication for mass production.</div><div><br></div><div><div>We characterized and analyzed a series of transient features of the laser-engineered patterns, including the ablated width, sidewall quality and resolution, as a function of laser beam parameters and hydrogel thermal & optical properties by laser-machining the hydrogels at different moisture level of hydrogels till fully dry at an interval of one hour. All the optimal patterns appear at 1-2 hours of drying (hydrogel losing 35%-65% weight), thus identifying an optimal window for a rapid end-to-end fabrication. Then, two types of composite gels were created and laser engineered, consisting of nano-iron particles embedded hydrogel (“ferrogel”) and micro-silica beads loaded hydrogel (“silicagel”); the results show comparable features similar to the bare hydrogel, confirming the processability of laser micro-machining on the composite gels. Next, we studiedthe swelling kinetics of the laser-machined hydrogels and identified tradeoffs between swelling speed and mechanical force. At the final, we used the laser patterning method to design and fabricate two pH-regulated autonomous drug delivery devices, a 3D printed smart capsule for targeted drug delivery in small intestine and a flexible patch for delivering antibiotics to infected chronic wounds. In both cases, their delivery capabilities can be tuned by either controlling the spatial resolution of the hydrogel actuator (the former) or using an n × n array (the latter).</div></div>

Yes / High-throughput manufacturing of transdermal microneedle arrays poses a significant challenge due to the high precision and number of features that need to be produced and the requirement of multi-step processing methods for achieving challenging micro-features. To address this challenge, we report a flexible and cost-effective process chain for transdermal microneedle array manufacture that includes mould production using laser machining and replication of thermoplastic microneedles via micro-injection moulding (micromoulding). The process chain also incorporates an in-line manufacturing data monitoring capability where the variability in the quality of microneedle arrays can be determined in a production run using captured data. Optical imaging and machine vision technologies are also implemented to create a quality inspection system that allows rapid evaluation of key quality indicators. The work presents the capability of laser machining as a cost-effective method for making microneedle moulds and micro-injection moulding of thermoplastic microneedle arrays as a highly-suitable manufacturing technique for large-scale production with low marginal cost. / This research work was undertaken in the context of MICRO-MAN project (“Process Fingerprint for Zero-defect Net-shapeMICROMANufacturing”, http://www.microman.mek.dtu.dk/).MICROMAN is a European Training Network supported byHorizon 2020, the EU Framework Programme for Research andInnovation (Project ID: 674801). This research has also receivedfunding and support from two other Horizon 2020 projects:HIMALAIA (Grant agreement No. 766871) and Laser4Fun (GA no.675063).

L’amélioration des performances des détecteurs (au niveau de la résolution en énergie et de la résolution spatiale) pour la radiographie X médicale par l’utilisation d’un semi-conducteur montre l’intérêt de remplacer les détecteurs à base de cristaux scintillateurs (majorité des systèmes commerciaux) par un détecteur à base de semi-conducteur. Avec une perspective de respect environnemental, ces travaux portent sur le développement d’une nouvelle génération de détecteurs à base de semi-conducteur, différent du CdTe, pour l’imagerie médicale de rayons X fonctionnant en mode comptage, ce qui permet la réduction de la dose de rayonnement envoyée sur le patient. Deux axes de recherches en découlent, avec le choix d’un nouveau matériau semi-conducteur, le GaAs semi-isolant et d’une nouvelle géométrie de détection, la géométrie 3D.Ces travaux ont consisté à évaluer expérimentalement le semi-conducteur, afin de choisir un matériau (fournisseur, croissance) et une électrode métallique qui ont la capacité de compter des photons. Puis, la structure de détection, au travers de caractérisations des procédés technologiques nécessaires pour la réalisation de la géométrie 3D (usinage des électrodes, dépôt des électrodes, connexion à un circuit électronique) et de la validation du concept avec un dispositif de test, a été également étudiée. Enfin, les premiers résultats d’un détecteur 3D à base de GaAs semi-isolant, montrant la concrétisation de ces objectifs, sont proposés. / In X-ray medical imaging, semi-conductors tend to replace scintillator crystals (most of the commercial devices), thank to their higher spatial resolution and energy resolution. Counting mode is another tendency, because it allows reducing the radiation dose delivered to the patient. This work aims at developing a new generation of semi-conductor detectors, different from CdTe / CdZnTe for environmental concerns, and associated with a new detection structure (3D geometry). Semi-insulating GaAs from specific growth and supplier, with adapted metallic electrodes, shows the ability to count photons. Then, a proof of concept of the 3D geometry is provided, through the characterization of electrodes machining in bulk material, metal deposition and connection to a read-out electronic circuit. Finally, the achievement of these objectives is reflected in the preliminary characterization of 3D detector based on semi-insulating GaAs.

Ce travail concerne la conception, la réalisation et la caractérisation d’un transformateur de commande pour interrupteurs de puissance à grille isolée, le transformateur assurant l’isolation galvanique entre étage de commande et circuit de puissance. L’objectif du travail n’était pas de répondre à un cahier des charges précis mais de développer une nouvelle voie technologique pour la réalisation de transformateur planaire intégrable. Les principales caractéristiques d’un tel transformateur sont : - une inductance élevée (rapport inductance/surface occupée le plus grand possible) ; - des résistances séries faibles ; - un couplage capacitif entre primaire et secondaire le plus faible possible. Ces contraintes nous ont conduits à étudier un transformateur planaire à couches magnétiques dont les enroulements primaire et secondaire sont enterrés dans le matériau magnétique afin de réduire l’entrefer. La structure Face to Face a été retenue avec un décalage de 45° entre enroulements primaire et secondaire. Après une étude en simulation, chaque enroulement enterré dans un matériau ferrite a été réalisé séparément puis assemblé pour donner naissance au transformateur. De très nombreuses étapes technologiques : micro usinage laser femtoseconde, dépôts de cuivre par pulvérisation cathodique, photolithographie, planarisation, gravure chimique … ont été mises en oeuvre. Le transformateur ainsi réalisé est constitué d’un empilement de couches magnétiques, conductrices et isolantes. Il a été caractérisé des très basses fréquences jusqu’à plusieurs dizaines de MHz. Les résultats de mesure obtenus sont proches des résultats de simulation, la bande passante du transformateur s’étendant de 20kHz à 7MHz / This work concerns the design, realization and characterization of a control transformer for insulated gate power switches, the transformer providing galvanic isolation between driving stage and power circuits. The aim of the work was not to respond to a precise specification but to develop a new technological path for the realization of an integrable planar transformer. The main characteristics of such transformer are: - high inductance (ratio of inductance / area occupied as large as possible); - low series resistances; - a capacitive coupling between primary and secondary as small as possible. These constraints guided us to study a planar transformer with magnetic layers whose primary and secondary windings are buried in the magnetic material in order to reduce the air gap. The Face to Face structure was chosen with a 45 ° offset between primary and secondary windings. After a numerical study, windings buried in a ferrite material were fabricated separately and then assembled to give rise to the transformer. Many technological steps: femtosecond laser micromachining, copper deposits by sputtering, photolithography, planarization, chemical etching ... have been implemented. Thus, the transformer produced consists of a stack of magnetic, conductive and insulating layers. It has been characterized from very low frequencies up to several tens of MHz. The measurement results obtained are close to simulation results, the bandwidth of the transformer extending from 20 kHz to 7 MHz

Ce travail de thèse repose sur l’élaboration et l’exploitation d’un banc expérimental dédié à l’étude d’un écoulement cavitant dans un micro-canal, pour des conditions proches de celles de l’injection diesel. Ce banc a été développé dans le but de faire varier différents paramètres, notamment l’état de surface des parois du canal. Plusieurs méthodes optiques (imagerie en transmission, strioscopie et interférométrie) ont été mises en place afin de visualiser l’écoulementet d’en extraire des informations quantitatives. Les images en transmission permettent de visualiser la formation de vapeur dans le canal. Elles sont sensibles au gradient de masse volumique et font ainsi apparaître des couches de cisaillement, des structures turbulentes et des ondes de pression. Leur interprétation est rendue délicate par cette richesse en information et nécessite de recourir aux autres techniques optiques. Il ressort de ce travail que la cavitation se forme dans la couche de cisaillement, sous l’effet combiné de la dépression engendrée par le décollement à l’entrée du canal et de tourbillons générés par des instabilités dans la couche de cisaillement. La confrontation des résultats obtenus à l’aide des différentes techniques optiques, notamment les champs de pression reconstruits à partir des interférogrammes, montre que la zone de formation de la cavitation ne correspond pas à la zone de minimum de pression moyenne de l’écoulement. Il apparaît aussi que certaines bulles de vapeur ont une durée de vie bien supérieure à ce que prévoient les modèles de dynamique de bulles. On suspecte que des fluctuations de pression de l’ordre de 20 bar, associées à la turbulence, contribuent à la prolongation de ces temps de vie. Un algorithme de PIV, appliqué à des couples d’images en transmission, permet de montrer une augmentation importante des fluctuations de vitesse en sortie de canal lorsque les poches de vapeur se développent. Cette augmentation devient plus significative quand les poches atteignent60% de la longueur du canal. L’écoulement cavitant est essentiellement piloté par le nombre de cavitation K. Les conditions d’apparition et de développement de la cavitation ont été quantifiées dans différents canaux, en faisant varier des paramètres géométriques, la pression amont ou la température. L’influence de la hauteur du canal et du rayon de courbure à l’entrée de l’orifice est conforme aux données de la littérature. Une dépendance du nombre de cavitation critique Kcrit à l’apparition de la cavitation au nombre de Reynolds Re est montrée. Enfin, l’influence de l’état de surface des parois a fait l’objet d’une étude spécifique. Cette partie du travail demande probablement à être complétée mais l’état de surface semble avoir une influence sur la cavitation. D’après les cas étudiés au cours de cette thèse, une surface rugueuse ou texturée avec des motifs suffisamment espacés peut retarder l’apparition de la cavitation et une rugosité limitée (jusqu’à Ra = 0,7 μmici) peut favoriser le développement des poches de vapeur. / This PhD study is based on the design and use of an experimental set-up dedicated to the study of a cavitating flow in a micro-channel in conditions close to Diesel injection. The experimental set-up has been designed so that different parameters may vary, in particular channel wall roughness. Several optical systems (backlit imaging, Schlieren imaging and interferometry) have been developed in order to visualize the flow and get quantitative data.Backlit images make it possible to visualize vapor formation in the channel. They are sensitive to density gradients and therefore show shear layers, turbulent structures as well as pressure waves. Since they are rich in information, it is tricky to interpret them and the use of other optical methods is required.This study shows that cavitation appears in the shear layer due to the combined effect of the depression induced by flow detachment at the channel inlet and vortexes caused by instabilities in the shear layer. The comparison of the results obtained from the different optical systems – in particular the pressure fields rebuilt from interferograms – indicates that cavitation does not appear where flow pressure is the lowest in average.It is noticed that some vapor bubbles have a life expectancy much higher than predicted by bubble dynamics models. It is thought that pressure variations of about 20 bar, associated to turbulence, may play a role in this phenomenon.A PIV algorithm applied to couples of backlit images shows that velocity fluctuations largely increase at the channel outlet when vapor cavities develop. The increase gets more significant when cavities are 60 % the channel length.The cavitating flow is mainly dependent on the cavitation number K. The conditions of cavitation inception and development have been quantified in different channels, and geometrical parameters, upstream pressure or temperature have varied. The influence of channel height and radius inlet on cavitation is in line with the literature. At cavitation inception, it is shown that the critical cavitation number Kcrit is dependent on Reynolds number Re. Finally, the influence of wall roughness has been the subject of a specific study. Although it would need to be further investigated, roughness seems to have an influence on cavitation. The samples used during this PhD work suggest that roughness or patterns sufficiently spaced out may delay cavitation inception, and limited roughness (up to Ra = 0.7 μm here) may enhance vapor cavity development.