Effects of biomimetic micro-patterning of polymeric materials on their interfacial properties were studied experimentally. Micropillars of PDMS and SU-8 epoxy were fabricated through soft lithography and UV lithography techniques, respectively. PDMS pillars were topped by thin terminal films of the same material through dipping method with different thicknesses and viscosities. Adhesion and frictional properties of biomimetic microstructures were examined in two modes of contact, i.e. laid and conformal contact. In the first mode of contact, i.e. laid contact, the contact between adhesive and adherent is laid on top of the micro-protrusions or is in contact with side wall of micropillars. Adhesion properties of the smooth and patterned PDMS were characterized through micro-indentation test. Moreover, the friction properties of the smooth PDMS sample and PDMS micropillars with different aspect ratios were examined in unidirectional friction testing. JKR theory of continuum contact mechanics was utilized to interpret the obtained data. To study the effect of second mode of contact, peeling behaviour of a conformal contact between solidified liquid PDMS and SU-8 micropillars was monitored. Kendall’s model of elastic peeling was used to interpret the peeling data. It was found that patterning of the materials would decrease the real area of contact and accordingly adhesion and friction to the mating surface. Termination of the micropillars with a thin layer of the same material result in increment of adhesion as reduction of the real contact area could be compensated and the compliance of the near surface increases. Elastic energy dissipation as a result of enhanced compliance and crack trapping and crack propagation instabilities are the main reasons behind increment of adhesion of thin film terminated structures. Viscoelasticity of the terminal thin film remarkably increased the adhesion as a result of coupling mentioned mechanisms and viscoelastic loss on the surface. Decline of the overall friction could be tailored through use of different aspect ratios. Higher aspect ratios pillars show higher friction comparing to lower aspect ratio pillars. 550 folds enhancement of adhesion was observed for peeling of the PDMS tape from rigid micropillars with aspect ratio ranging from 0 to 6. It is concluded that for the lower aspect ratio micropillars, the elastic energy dissipation is playing the key role in adhesion enhancement. This role shifts toward side-wall friction during separation by increase in aspect ratio. These all give in hand a versatile tool to control and fine tune the interfacial properties of materials, whether they are concerned with adhesion or friction.

Effects of biomimetic micro-patterning of polymeric materials on their interfacial properties were studied experimentally. Micropillars of PDMS and SU-8 epoxy were fabricated through soft lithography and UV lithography techniques, respectively. PDMS pillars were topped by thin terminal films of the same material through dipping method with different thicknesses and viscosities. Adhesion and frictional properties of biomimetic microstructures were examined in two modes of contact, i.e. laid and conformal contact. In the first mode of contact, i.e. laid contact, the contact between adhesive and adherent is laid on top of the micro-protrusions or is in contact with side wall of micropillars. Adhesion properties of the smooth and patterned PDMS were characterized through micro-indentation test. Moreover, the friction properties of the smooth PDMS sample and PDMS micropillars with different aspect ratios were examined in unidirectional friction testing. JKR theory of continuum contact mechanics was utilized to interpret the obtained data. To study the effect of second mode of contact, peeling behaviour of a conformal contact between solidified liquid PDMS and SU-8 micropillars was monitored. Kendall’s model of elastic peeling was used to interpret the peeling data. It was found that patterning of the materials would decrease the real area of contact and accordingly adhesion and friction to the mating surface. Termination of the micropillars with a thin layer of the same material result in increment of adhesion as reduction of the real contact area could be compensated and the compliance of the near surface increases. Elastic energy dissipation as a result of enhanced compliance and crack trapping and crack propagation instabilities are the main reasons behind increment of adhesion of thin film terminated structures. Viscoelasticity of the terminal thin film remarkably increased the adhesion as a result of coupling mentioned mechanisms and viscoelastic loss on the surface. Decline of the overall friction could be tailored through use of different aspect ratios. Higher aspect ratios pillars show higher friction comparing to lower aspect ratio pillars. 550 folds enhancement of adhesion was observed for peeling of the PDMS tape from rigid micropillars with aspect ratio ranging from 0 to 6. It is concluded that for the lower aspect ratio micropillars, the elastic energy dissipation is playing the key role in adhesion enhancement. This role shifts toward side-wall friction during separation by increase in aspect ratio. These all give in hand a versatile tool to control and fine tune the interfacial properties of materials, whether they are concerned with adhesion or friction.

Le cytosquelette de microtubule (MT) est essentiel dans de nombreux processus cellulaire. Il est notamment impliqué dans le trafic intracellulaire, la division cellulaire, la modification et le maintien de la forme de la cellule. En fonction du type cellulaire ou de son état de différenciation, les réseaux de MTs vont adopter des architectures différentes. Ces organisations sont définies par des contraintes géométriques intracellulaires et l'activité moléculaire de nombreuses protéines associées aux MTs (MAPs). Parmi ces protéines, des membres de la famille des MAP65s ont été identifiés. In vitro, elles forment des ponts entre les MTs pour les organiser en faisceaux. Le but de mon travail de thèse a été d'étudier in vitro le rôle de MAP65s dans l'auto-organisation d'un réseau de faisceaux de MTs. Dans un premier temps, j'ai mis au point un système biomimétique utilisant la technique de " micro-patterning " qui imposent une géométrie d'assemblage pour les MTs dans des limites qui se rapprochent de celles observées dans les cellules. Cette méthode permet de contrôler précisément l'assemblage des MTs à partir de zones dont les formes, la taille et la distribution des unes par rapport aux autres sont définies. Pour valider cette technique, j'ai reconstitué des réseaux qui miment des architectures cellulaires (i.e modules du fuseau mitotique). Dans un deuxième temps j'ai étudié le rôle de MAP65s dans l'auto-organisation de réseaux de faisceaux de MTs, et plus particulièrement l'étape de co-alignement entre MTs dynamiques et dispersés. J'ai montré que MAP65-1 de plante et son orthologue chez la levure, Ase1, diminuent fortement la longueur de persistance de MTs isolés ou organisés en faisceaux. Cet assouplissement leur permet de se déformer et donc de se co-aligner pour former des faisceaux lorsqu'ils se rencontrent à des angles de rencontre élevés. L'augmentation de flexibilité est du à l'interaction du domaine de liaison de MAP65-1/Ase1 avec la lattice des MTs. Ces résultats suggèrent que la diminution de la rigidité des MTs contrôle dans les cellules l'issue des évènements des rencontres entre MTs. De façon plus générale, la modulation des propriétés mécaniques des MTs par des MAPs représente un nouveau mécanisme pour réguler la plasticité des réseaux de MTs dans les cellules eucaryotes.

Le cytosquelette de microtubule (MT) est essentiel dans de nombreux processus cellulaire. Il est notamment impliqué dans le trafic intracellulaire, la division cellulaire, la modification et le maintien de la forme de la cellule. En fonction du type cellulaire ou de son état de différenciation, les réseaux de MTs vont adopter des architectures différentes. Ces organisations sont définies par des contraintes géométriques intracellulaires et l'activité moléculaire de nombreuses protéines associées aux MTs (MAPs). Parmi ces protéines, des membres de la famille des MAP65s ont été identifiés. In vitro, elles forment des ponts entre les MTs pour les organiser en faisceaux. Le but de mon travail de thèse a été d'étudier in vitro le rôle de MAP65s dans l'auto-organisation d'un réseau de faisceaux de MTs. Dans un premier temps, j'ai mis au point un système biomimétique utilisant la technique de « micro-patterning » qui imposent une géométrie d'assemblage pour les MTs dans des limites qui se rapprochent de celles observées dans les cellules. Cette méthode permet de contrôler précisément l'assemblage des MTs à partir de zones dont les formes, la taille et la distribution des unes par rapport aux autres sont définies. Pour valider cette technique, j'ai reconstitué des réseaux qui miment des architectures cellulaires (i.e modules du fuseau mitotique). Dans un deuxième temps j'ai étudié le rôle de MAP65s dans l'auto-organisation de réseaux de faisceaux de MTs, et plus particulièrement l'étape de co-alignement entre MTs dynamiques et dispersés. J'ai montré que MAP65-1 de plante et son orthologue chez la levure, Ase1, diminuent fortement la longueur de persistance de MTs isolés ou organisés en faisceaux. Cet assouplissement leur permet de se déformer et donc de se co-aligner pour former des faisceaux lorsqu'ils se rencontrent à des angles de rencontre élevés. L'augmentation de flexibilité est du à l'interaction du domaine de liaison de MAP65-1/Ase1 avec la lattice des MTs. Ces résultats suggèrent que la diminution de la rigidité des MTs contrôle dans les cellules l'issue des évènements des rencontres entre MTs. De façon plus générale, la modulation des propriétés mécaniques des MTs par des MAPs représente un nouveau mécanisme pour réguler la plasticité des réseaux de MTs dans les cellules eucaryotes. / The microtubule (MT) cytoskeleton is essential for many cell processes, such as the intracellular trafficking, the cell division, and the cell morphogenesis. Depending on the cell type or on its differentiation state, the MT networks will adopt different architectures. These organizations are defined by intracellular geometric constraints and the regulation of the acticity of many MT associated proteins (MAPs). Among these proteins, we get a particular interest in MAP65s family that crosslink MTs to organize them into bundles. The aim of my thesis was to study in vitro the role of MAP65s in the self-organization of MT bundles in particular networks. As a first step, I developed a biomimetic system using the micro-patterning procedure which imposes a MT assembly geometry within limits close to those observed in cells. This method allows to precisely control the MT assembly from micro-patterns with define shape, size and spatial distribution. In order to validate this technic, I reconstituted MT networks which mimic cellular architecture (i.e mitotic spindle modules). In a second time, I studied the role of major MT cross-linkers that are members of the MAP65 family in the formation of MT bundles, particularly the step of MT co-aligment after encountering of dynamic growing MTs. I found that plant MAP65-1 and its yeast ortholog, Ase1, lower the global rigidity of single MTs and MT bundles. This increase in MT flexibility is directly caused by interactions between the MAP65 MT-binding domain and the MT lattice. These data suggest that MT softening by MAP65 controls the issue of MT encounters, so that self-organized ordered MT bundles are formed in living cells. In a more general way, the modulation of MT mechanical propreties by MAPs represent a new mecanism to regulate MT networks plasticity in eukaryote cells.

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La stéréolithographie biphotonique (TPS) est une technique de microfabrication 3D basée sur la polymérisation par absorption biphotonique qui permet d’obtenir en une seule étape des structures 3D complexes avec des détails sub-100nm. Aujourd’hui, en raison des conditions spécifiques de fabrication liées à la TPS (fort flux, confinement spatial de la photoréaction,…), un des enjeux concerne le développement de matériaux fonctionnels compatibles avec ce procédé. Dans ce contexte, l’objectif de cette thèse a été de développer de nouveaux matériaux fonctionnels à base de polymères à empreintes moléculaires (MIP) pour élaborer des capteurs chimiques. Une première partie de ce travail a consisté à mettre en place différentes méthodes dédiées à la caractérisation des propriétés géométriques, chimiques et mécaniques des matériaux élaborés par TPS. Par exemple, la vibrométrie laser a été utilisée pour la première fois afin de sonder de façon non-invasive les propriétés mécaniques de microstructures réalisées par TPS. Dans un second temps, ce travail a été mis à profit pour étudier l’impact du processus de fabrication (i.e. conditions photoniques) ainsi que des paramètres physico-chimiques affectant la photoréaction (i.e. inhibition par oxygène et nature du monomère) sur les propriétés finales des matériaux. Enfin, en s’appuyant sur les résultats obtenus, des microcapteurs chimiques à base de MIP, à lecture optique ou mécanique, ont été fabriqués. Leurs propriétés de reconnaissance moléculaire, ainsi que leurs sélectivités ont été démontrées pour une molécule cible modèle (D-L-Phe). / The two-photon stereolithography (TPS) technique is a micro-nanofabrication method based on photopolymerization by two-photon absorption that allows in a single manufacturing step to obtain complex 3D structures with high-resolution details (sub-100nm). Due to the specific conditions of TPS process (intense photon flux, spatial confinement of the photoreaction…) one of the main concerns today is the development of functional materials compatible with the TPS. According to the aforementioned, the general objective of this thesis was to develop new functional materials based on molecularly imprinted polymers (MIP) to elaborate chemical microsensors. In the first step of this work, different methods were implemented to characterize the geometrical, chemical and mechanical properties of the materials synthesized by TPS. For example, laser-Doppler vibrometry was used for first time to evaluate the mechanical properties of microstructures fabricated by TPS in a non-invasive way. In the second step, the characterization methodology was used to study the impact of the manufacturing process (i.e. photonic conditions) and the physicochemical parameters that affect the photoreaction (i.e. oxygen inhibition and the nature of the monomer) and the final properties of the materials. Finally, the obtained results enabled the prototyping of chemical microsensors based on MIP. Their molecular recognition properties and their selectivity were demonstrated for the molecule (D-L-Phe) by an optical and a mechanical sensing method.