Les ondes acoustiques permettent la manipulation, le tri ou le mélange de particules ou de fluides à l'échelle micrométrique voire nanométrique sans contact et sans marquage. Nous tirons parti de la force de radiation acoustique pour manipuler des cellules vivantes. La plupart des techniques d'émission repose sur l'utilisation d'ondes de surface supersoniques. Cette approche, qui a largement fait ses preuves, requiert des substrats à matériau piézoélectriques. Elle reste, dans les cas pratiques, limitée par une forte atténuation. Ici, nous exploitons le régime subsonique de propagation afin de générer un champ acoustique évanescent dit de "Scholte" qui concentre son énergie au voisinage du substrat où sont précisément situés les objets. Ces ondes présentent donc la caractéristique de ne pas rayonner dans le fluide et ne sont par conséquent pas atténuées. Leur excitation ne requiert aucun matériau particulier et peut-être réalisée à distance de la zone d'intérêt. Nous avons démontré l'existence de ces ondes et illustré leur potentiel au travers d'exemples clés pour la microfluidique. En particulier, l'utilisation d'un champ tournant a montré la possibilité de piéger et d'entraîner la rotation à l'échelle individuelle. Nous décrivons aussi une méthode de caractérisation du plasma sanguin par "centrifugation" acoustique. Ensuite, un réseau de pièges acoustiques réversible a été adapté afin d'étudier son effet sur des cellules adhérentes (fibroblastes) en conditions de culture. Un traitement statistique nous a permis d'étudier les modifications d'organisation de la culture en fonction du phénotype. Ce travail démontre l'intérêt de l'acoustique dans l'étude de la motilité et des effets mécanotransducteurs sur une population cellulaire. / It has been shown that the use of acoustic waves enables nanoparticles, microbubbles, drops or microbeads, living cells and fluids to be moved, sorted, or mixed in a contactless and label-free manner. Here, we take advantage of the acoustic radiation force to manipulate living cells. Most of the applications and their associated techniques rely on the use of the so-called SAW (Rayleigh Surface Acoustic waves). This technique is powerful but requires piezoelectric substrates and suffers from a high damping due to radiation losses in the supersonic regime. Here, we work instead in the subsonic regime of propagation which allows us to generate an evanescent field ("Scholte" waves) thanks to a thin substrate. This wave presents very interesting characteristics since acoustic energy is concentrated in the vicinity of the substrate where objects are located. Moreover, the propagation is lossless and doesn't require any substrate or particular medium. We then showed the potential of this new approach through key-applications in microfluidics. This device enables to establish patterns and to concentrate cells in a flow. We have also designed a rotating acoustic field and shown the possibility of trapping and spinning of individual cells. We also describe a blood plasma characterization method by acoustic "centrifugation" within a drop. In a second part, we have designed a network of switchable acoustic traps compatible with living cells in order to study its effect on a population of adherent cells in culture. It reveals a change of cells behaviour depending on the phenotype. This work opens the way to the use of acoustics in the study of mechanotransductive effects on cells population.

Ce travail a pour but de mettre au point des nouvelles méthodes pour la recherche avancée sur les cellules souches et les cellules cancéreuses. Nous avons d'abord développé une méthode de patch pour la culture et la différentiation des cellules souches pluripotentes induites humain (hiPSCs) "hors sol". Ce patch de culture est constitué des monocouches de nanofibres réticulées de gélatine sur un support en nid d'abeilles pour assurer un minimum de contact de matériel exogène et un maximum de perméabilité. Puis, nous avons démontré la formation des tissues cardiaques et des neurones moteurs sur le patch, partis de colonies des hiPSCs en forme d'embryoïdes et de monocouches respectivement. Nous avons également développé un dispositif microfluidique avec filtre intégré pour isoler les cellules tumorales circulantes (CTCs), montrant une haute performance de capture en termes d'efficacité, de sélectivité et de viabilité cellulaire. Enfin, nous avons évalué l'effet de drogue anticancéreuse à la formation des sphéroïdes tumoraux en utilisant des multi-puits d'agarose micro-fabriqués. Tous ensembles, nous avons progressé dans la micro-ingénierie vers des applications à grande échelle. / This work aimed to provide new tools and methods that can be used for advanced studies of stem cells and cancer cells. We first developed a patch method for off-ground culture and differentiation of human induced pluripotent stem cells (hiPSCs). The culture patch we proposed consists of crosslinked monolayer gelatin nanofibers on a honeycomb frame to ensure minimal exogenous material contact and maximum permeability. Then, we demonstrated the formation of cardiac tissue constructs and motor neurons on the patch, started from embryoid-body like and monolayer hiPSC colonies, respectively. We also developed a microfluidic device with integrated filter for isolation of circulating tumor cells (CTCs), showing high capture performances in terms of efficiency, selectivity and cell viability. Finally, we evaluated the anti-cancer drug effect on the formation of tumor spheroids by using microfabricated agarose multi-wells. All together, we progressed in micro-engineering toward large scale applications.

La capacité des globules rouges à modifier leur forme en fonction de conditions externes spécifiques représente une propriété fondamentale permettant aux cellules de traverser des capillaires de diamètres plus petits que leur propre diamètre. L’ektacytométrie est une technique utilisée pour mesurer la déformabilité des globules rouges en exposant un échantillon très dilué de sang à des contraintes de cisaillement et en mesurant l’élongation resultante des globules par l'analyse de la figure de diffraction laser. Ce travail contribue à la conception et l’évaluation d’un nouveau dispositif de diagnostic basé sur la méthode microfluidique d'ektacytométrie à gradient osmolaire. Elle permet de mesurer la déformabilité d'une population de globules rouges (RBC), en fonction de l'osmolalité de milieu. Cette mesure permet un diagnostic différentiel d'un certain nombre de troubles de globules rouges présentant des symptômes similaires. Elle permet également de suivre les effets de certains traitements. Des aspects théoriques qui s’appuient sur les équations des écoulements et une preuve de principe sont discutés. Cette nouvelle technique ouvre la possibilité de construire un instrument simple et peu encombrant, décrit dans ce travail, ne nécessitant qu'un prélèvement de sang au bout du doigt / The ability of red blood cells (RBC) to change their shape under varying conditions is a crucial property allowing these cells to go through capillaries narrower than their own diameter. Ektacytometry is a technique for measuring deformability by exposing a highly diluted blood sample to shear stress and evaluating the resulting elongation in RBC shape using a laser diffraction pattern. This work contributes to the design and evaluation of a new diagnostic technique based on osmotic scan ektacytometry, using a microfluidic method. It allows the measurement of deformability of an RBC population, as a function of varying medium osmolality. This measurement makes possible a differential diagnosis for any one of a number of RBC disorders presenting similar symptoms. It also permits the physician to follow the effects of treatments. Both theoretical aspects based on flow equations and a proof of principle are discussed. This new technique opens up the possibility of building a simple, small footprint instrument described in this work that can be used with finger prick amounts of blood

La cristallisation des protéines est une étape cruciale dans l’élucidation de la structure tridimensionnelle des protéines. C’est un processus très délicat qui dépend de nombreuses variables environnementales dont le contrôle précis est difficile, voire impossible, dans les installations typiquement utilisées. Des approches basées sur la parallélisation massive des expériences et la réduction du volume d’échantillon par expérience, pour trouver les conditions initiales de cristallisation, montrent leur relative efficacité dans la recherche de ces conditions initiales mais aussi leurs limites quant à l’optimisation des cristaux obtenus.La méthode présentée dans cette thèse diffère de ce paradigme. La démarche proposée est une approche séquentielle plutôt que la parallélisation d’expériences et est basée sur la connaissance des diagrammes de phase. Cette thèse repose sur une suite de développements d’instruments mis en oeuvre pour maîtriser et rationaliser la cristallisation par la méthode de la dialyse, permettant ainsi l’exploration des diagrammes de phases sans consommer l’échantillon de protéine.Il en résulte un dispositif microfluidique permettant la cristallisation de protéines par la méthode de la dialyse, l’utilisation d’un flux continu d’agent de cristallisation et par conséquent l’échange continu de conditions de cristallisation ainsi que le contrôle de la température au cours de l’expérience. Il est compatible avec le rayonnement X pour la collecte de données de diffraction in situ sur les cristaux ayant poussés dans la puce microfluidique. Ce système microfluidique est basé sur la miniaturisation du banc de cristallisation qui a été amélioré d’un point de vue : de l’électronique pour l’automatisation, du transport de fluides pour le fonctionnement en flux continu, du développement logiciel pour le contrôle des paramètres de cristallisation, de la mécanique pour améliorer la cellule de dialyse et la thermorégulation, et enfin par l’intégration d’un système UV permettant de réaliser des mesures d’absorbance in situ qui offre pour l’avenir la possibilité de mesurer la solubilité de protéine au cours d’une expérience de cristallisation par la dialyse.Finalement les développements instrumentaux et méthodologiques ont été validés par la cristallisation de plusieurs protéines modèles dont les cristaux ont diffractés aux rayons X avec succès. En outre le transport d’espèces en solution par la dialyse a été étudié par une approche combinée expérimentale et théorique. / Protein crystallization is a key step in elucidating three-dimensional structure of proteins. This very sensitive process depends on many variables that are difficult to control precisely or simultaneously in the existing facilities. Instrumentation developments have concentrated on massive parallel experiments and sample volume reduction used by experiment. With this approach it is relatively easy to find initial crystallization conditions but their optimization to yield well diffracting crystals often proves to be more difficult.The method presented herein differs from the current paradigm, since we propose serial instead of parallel experiments based on the knowledge of phase diagrams. This project is based on a series of developments of instruments used to control and rationalize crystallisation using dialysis method, thus allowing phase diagrams exploration without consuming large quantity of protein sample.This results in a microfluidic device that allows crystallization of proteins by dialysis method, use of a continuous flow of crystallization agent and therefore continuous exchange of crystallization conditions as well as temperature control during experiment. It provides X-rays compatibility for in situ diffraction data collection of crystals grown in the microfluidic chip. This microfluidic system is based on the miniaturization of the crystallization bench which has been improved on electronics for automation, fluid transport to operate at a continuous flow, software development for the control of crystallization parameters, mechanics to improve both dialysis cell and thermoregulation, and finally by the integration of a UV system to perform in situ absorbance measurements that provide the future possibility to measure the solubility of proteins in a dialysis crystallization experiment.Finally both instrumental and methodological developments have been validated by the crystallization of several model proteins whose crystals diffracted succesfully X-rays. Furthermore understanding of the transport of species in solution by dialysis was investigated by combined experimental and theoretical approaches.

La détermination des cinétiques réactionnelles est incontournable en génie de la réaction. Sans quoi on ne peut dimensionner convenablement un réacteur. Cependant, la complexité de certains systèmes réactionnels nécessite de fournir des efforts expérimentaux souvent rédhibitoires, en termes de moyens comme de temps. Des méthodologies de planification expérimentales pour la modélisation cinétique existent. Les objectifs de ces méthodes peuvent être la détermination précise des paramètres d’un modèle ou la discrimination de plusieurs modèles potentiels. Notre objectif est d’étudier des méthodologies pour discriminer entre des modèles et d’éprouver ces méthodologies sur des applications numériques et/ou expérimentales. Ces méthodologies s’appuient sur un processus itératif, qui, étape par étape, mène à la sélection d’un modèle, à la détermination de ses paramètres et à sa validation. Une fois la méthodologie précisée, un premier cas d’étude « numérique » concerne un système réactionnel, dont plusieurs modèles sont proposés, basés sur différents schémas réactionnels. L’objectif étant de trouver le bon schéma par application de la méthodologie. Ensuite un cas d’étude expérimentale est traité : l’acylation catalytique du ferrocène. Sa cinétique n’est pas connue. La méthodologie appliquée mènera à la proposition de plusieurs modèles cinétiques et à la sélection du plus adapté. Un dernier cas d’étude s’intéresse à la modélisation des réactions exothermique, en particulier en micro/milli réacteur continu. Un focus est d’abord fait sur une modélisation adaptée à ces systèmes réactionnels, à travers l’utilisation de nombres adimensionnels réduisant les degrés de liberté, et permettant une analyse synthétique du comportement du réacteur. Par la suite, plusieurs applications « numériques » de la méthodologie de discrimination de modèles sont proposés, dont l’objectif est la discrimination du comportement thermique des réacteurs. La méthodologie expérimentale utilise efficacement les données déjà accumulées sur les modèles, pour choisir au mieux chaque nouvelle expérience en fonction des objectifs ciblés. Elle permet de cibler efficacement les meilleures expériences pour atteindre l’objectif fixé. Les efforts expérimentaux sont ainsi optimisés, ainsi que la recherche de modèles cinétiques et thermiques. / Knowledge on kinetics is essential for chemical reactor modelling. Yet when chemical systems are very complex, development of good kinetic models leads to expensive and time consuming experiments, often prohibitive. Our goal is to develop efficient numerical methods to design the optimal experiments to select the best model among many possible candidates while precisely estimating its kinetics parameters. The gain is double: reduction of experiments and acquisition of more accurate information. Several study cases will enable the assessment of these methodologies. Optimal experimental design methodologies are based on iterative procedures,leading to the selection of the more accurate model, and to the identification of its parameters. In the present work, a first numerical study case is chosen as an illustration of the method, consisting on the discrimination of four synthesis pathway that are potential candidates to describe a reactional system. It is showed how the developed method can smartly choose experiments to lead to the choice of the accurate pathway. The second study case is the experimental study of the catalytic acetylation of ferrocene, for which any accurate kinetic models have not been found yet. Thanks to the iterative design of experiments, it is possible to characterize, very quickly, the order of reaction and how the catalyst effect has to be considered. The last part of this work deals with exothermic reactions and the coupling between thermal transfer and chemical reactions in milli/micro-reactors. The use of dimensionless numbers is proposed to reduce the number of parameters implied in such systems and to analyse the thermal behaviour of microreactors. Then, the aim is to illustrate how to discriminate thermal behaviours using the discriminatory methodology, through several study cases. Those examples demonstrate that iterative design of experiments is an efficient method to find the best experiments to solve the issues for selecting a model among others and for determining the associated parameters. This offers the advantages to reduce the experimental efforts in time and in matter, and thus to unlock modelling of many complex chemical systems.

Les systèmes MEMS et NEMS permettent, par résonance mécanique, des mesures de masse avec une sensibilité et une résolution propices à la caractérisation d'objets de taille micro- et nanométrique. Ces dispositifs, adaptés à une intégration dans des systèmes d'analyse miniatures plus complexes, sont d'intérêt pour la recherche biomédicale et la détection de particules. Toutefois la caractérisation en milieu liquide reste à ce jour délicate, principalement à cause de phénomènes dissipatifs associés à la mise en mouvement du fluide environnant le dispositif vibrant.Afin de lever ce verrou, l’équipe au sein de laquelle s’est déroulée cette thèse a développé des MEMS fluidiques sous forme de plaques minces mises en vibration dans leur plan de manière à limiter l'excitation du fluide environnant. Chaque plaque comporte un canal microfluidique permettant la circulation d'un liquide dont la masse moyenne est précisément déterminée par la fréquence de résonance du système. A terme, l'ambition de ces systèmes est de parvenir à révéler, par un décalage en fréquence, le passage au sein de la plaque vibrante d’une particule unique transportée par le liquide.Deux objectifs ont été atteints dans le cadre de cette thèse. D'une part, le comportement de ces structures en présence de divers liquides a été finement caractérisé ce qui a permis d’évaluer leurs performances réelles en fonction des conditions d'excitation. La résolution mesurée pour ces capteurs est de l’ordre de quelques g.L-1, pour une sensibilité d’environ 100 Hz.(g.L-1)-1.D'autre part, une nouvelle génération de capteurs aux caractéristiques innovantes a été conçue en vue d’abaisser le seuil de détection en diminuant la masse des résonateurs et en améliorant le bruit en fréquence.Ce manuscrit sera articulé autour de quatre chapitres. Le premier propose un état de l’art des techniques existantes pour la caractérisation de particules en fluide, et détaille ensuite les solutions MEMS et NEMS développées à cette fin dans la littérature. Le second chapitre livre les résultats issus de la caractérisation d’une première génération de MEMS fluidiques. Le troisième décrit les observations et mesures réalises, et propose des perspectives d’amélioration de ces composants ainsi que de leur protocole de caractérisation. Enfin, on présente dans le dernier chapitre une nouvelle génération de NEMS conçue et fabriquée au cours de cette thèse ; pour finir sont discutés les choix réalisés et les perspectives d’évolution attendues pour ces composants. / MEMS and NEMS allow sensitive and precise mass detection consistent with micro- and bio- objects analysis. These systems are promising for biomedical research and particle metrology, and can be easily integrated in miniaturized multifunctional systems. Thererfore, characterization in liquid media remains tricky due to viscous dissipation consequent to the movement induced in the fluidic environment.In order to overcome this technological lock, our laboratory previously designed and fabricated specific MEMS devices for fluidic analysis; these thin plate resonators with and embedded microchannel are actuated in liquid media, with four capacitive electrodes providing both actuation and detection. The circulating fluid mass can be precisely measured by monitoring the device’s resonant frequency. The long-term objective is to be able to detect and weigh one single particle transported by the fluid.Two main objectives were fulfilled during these three years. First, the MEMS behaviour in presence of various liquids was evaluated, providing a fine-grained analysis of their performances as mass sensors. The measured resolution of our sensors is about a few g.L-1 with a sensitivity of 100 Hz.(g.m-3)-1.Meanwhile, a new generation of NEMS sensors with innovative features was designed; the objective is to decrease the effective mass and reduce the frequency noise, both for a better mass resolution.This thesis includes four chapters. The first one consists in a review of the existing techniques for particles characterization in fluid as well as MEMS and NEMS solutions for particles metrology described in the litterature. The second part of the manuscript presents the results of the experimental characterizations carried out on the first generation of sensors. The third chapter gathers the conclusions of these measurements and gives an outlook on possible improvements on both the design and the characterization of the sensors. At last, the fourth part describes the new generation of devices and discusses their characteristics in terms of expected resolution and applications.

Les matériaux élastomères hyper élastiques offrent aux domaines des capteurs, des antennes radio fréquences et des soft robots de nouvelles opportunités en termes de déformabilité. Le but de ce travail est d'étudier un matériau élastomère hyper élastique appelé Ecoflex et de l'intégrer à des systèmes microfluidiques en exploitant ses caractéristiques mécaniques particulières.Dans un premier temps, les propriétés mécaniques de ce matériau ont été caractérisées par des expériences de soufflages membranaires. Par la suite des outils de modélisation mécanique basés sur le modèle phénoménologique de Mooney-Rivlin ont été étudiés et validés. Deux exemples d'applications ont été développés.Une première famille de système concerne des capteurs de grandes déformations. Ces capteurs électro fluidiques combinent les propriétés hyper élastiques de l'Ecoflex et les propriétés électriques du Galinstan qui est un métal liquide à température ambiante : une résistance électrique est formée par un canal moulé dans l'Ecoflex et rempli du liquide conducteur. Une déformation du capteur induit une modification de la géométrie du canal et donc une variation de résistance. Les caractérisations réalisées sur ces capteurs ont montré leur capacité à mesurer des étirements très importants avec un comportement réversible et sans rupture de contact électrique. Des taux d'élongation de 400 %, entrainant une variation de résistance de 800% ont ainsi été obtenus. Les résultats suivant la géométrie des capteurs sont discutés en utilisant des outils de modélisations.La deuxième famille de système concerne les laboratoires sur puce avec la fabrication de réservoirs déformables pouvant être intégrés à des composants fluidiques. Inspirés des tests de soufflage membranaire, ces réservoirs peuvent embarquer des volumes allant de quelques dizaines de microlitres à quelques millilitres de réactifs tout en ayant un encombrement minimum. L'élasticité des membranes permet de pressuriser naturellement le réservoir et une méthode simple de détection de la forme du réservoir permet de connaitre à tout moment le volume interne de celui-ci. Couplés à un système de vannes pneumatiques, ces réservoirs permettent d'injecter précisément un volume de fluide dans un réseau microfluidique. Différents exemples de composants ont été développés, allant du réservoir simple pour les caractérisations, à des cartes intégrants plusieurs réservoirs en vue d'effectuer des protocoles complexes, tel une dilution programmable ou un test ELISA. / Mechanical properties of hyper elastic elastomers provide new opportunities to captors, radio frequencies antennas and soft robots. This work is focused on the study of a hyper elastic material called Ecoflex and on its integration in microfluidic systems using its exceptional mechanical properties.First, material's mechanical properties were investigated during membrane blowing experiments. Simulations based on the phenomenological model of Mooney-Rivlin were developed and validated. These results were useful to the development of two applications.First application of hyper elastic system is an elongation sensor. Electro fluidic sensors combine Ecoflex's hyper elastic properties and Galinstan's electrical properties. Galinstan is a metallic alloy which is liquid at room temperature. A microchannel molded in the elastomer and filled with the liquid metal form an electrical resistance. Sensor's deformation induces a geometrical change into the channel and therefore a variation of the electrical resistance. Characterization tests performed on these sensors showed capabilities to measure large elongations and reversibly without loss of electrical contact. An elongation of the sensor's length by a factor 4 involves an increase of the electrical resistance by a factor 8 providing a good sensibility of the system. Results according to the sensor's geometry are discussed using simulation tools, analytical study and experimental data.Second application is the development of hyper elastic reservoirs integrated into microfluidic cards. Inspired from membrane blowing tests, they are able to store volumes from few microliters to milliliters of reagents without taking too much place on the microfluidic cards' surface. Membranes' elasticity naturally pressurizes the reservoir when it is filled and a simple optical edge detection method gives the internal volume in real time. Combined with pneumatic valves these reservoirs inject precise volumes into a microfluidic network. Different microfluidic systems were developed, a simple reservoir with two valves for the characterizations and cards with multiple reservoirs to realize complex protocols like on demand dilution or automated ELISA test.

Grâce aux technologies de la microfluidique (i.e. la manipulation d'un fluide dans un système ayant une dimension caractéristique sub-millimétrique), il est possible d'imaginer l'intégration de l'ensemble des fonctions ordinairement réalisées en laboratoire dans un système miniaturisé, réalisant ainsi un laboratoire sur puce. Cela peut ainsi permettre d'allier efficacité et bas-coût requis pour la réalisation de dispositif de diagnositcs médicaux utilisable en dehors d'infrastructure médicalisée, souvent appelés systèmes Point-of-Care. Pour la réalisation d'un tel dispositif, il semble important de concevoir l'intégration des différents composants du système d'une façon cohérente, et en prenant en compte l'ensemble des contraintes imposées par l'application finale ciblée. Le travail effectué au cours de cette thèse a ainsi été réalisé dans l'optique de proposer une réponse à cette problématique d'intégration dans le cadre du développement d'un système microfluidique de diagnostic Point-of-Care basé sur une réaction d'amplification d'ADN isotherme LAMP. Afin de pouvoir proposer un système bon marché et dont l'industrialisation est aisée, nous avons fait appel à l'utilisation du papier comme support et au thermoformage comme moyen de production. En effet à la fois l'industrie papetière et le procédé de thermoformage sont d'ores et déjà existant et proposent des fabrications en série. De plus, le faible coût du matériau et du procédé en question permettent d'envisager un dispositif final à bas-coût. Afin de pouvoir effectuer et détecter la réaction de LAMP la présence de fonctions actives telles qu'un chauffage et un outil de détection est nécessaire. Pour ces dernières, l'intégration a été réalisée par procédé sérigraphique. Le chauffage est effectué par effet Joule grâce au dépôt d'une couche d'encre conductrice à base de carbone. La détection est quant à elle faite par méthode potentiométrique, à l'aide d'électrode couverte de polyaniline. Il sera également montré que l'utilisation de ces méthodes de fabrication est pertinente en termes d'intégration car elles permettent une superposition des différentes fonctions actives, mais également leur intégration directement dans le système microfluidique. / Developments of microfluidics - the study of flows at the sub-millimetric dimensions - have made possible the integration of most of the macroscopic functions of laboratory fluidic systems in a miniaturized system, thus realizing a lab on a chip. This allows the conception of low cost, sensitive and efficient medical diagnostic device usable outside of a medical infrastructure. Such devices are called Point-of-Care (PoC) systems. The design and fabrication of such devices requires an elaborated and coherent integration that takes into account all the constraints imposed by the targeted final application.The work reported here, and performed during the PhD internship, is focused on the study of the concept and development of the integration of a PoC device based on the isothermal LAMP (Loop mediated AMPlification) reaction for the molecular analysis of DNA. In order to offer a cheap and easily industrialized system, we investigate the use of paper as the chip material and thermoforming as the mean to build the channels. These two techniques are currently used in the industry and their adaptation to the fabrication of such devices is easy and low-cost. In order to perform a LAMP reaction, specific functions such as a heating and a detection system are required. The integration of these functions was carried out using screen printing technology. Heating is done by Joule effect using a layer of carbon-based conductive ink. Detection is performed by a potentiometric method, using polyaniline-covered electrodes. It is shown that this approach is compatible with integration when the screen-printing layers are superposed. Besides they can be printed before thermoforming, resulting in a highly integrated system.

This dissertation presents the design and implementation of a 16-channel sinusoidal generator to stimulate microfluidic devices that use electrokinetic forces to manipulate particles. The generator has both, independent frequency and independent amplitude control for each channel. The stimulation system is based upon a CMOS application specific (ASIC) device developed using 0.35¦Ìm technology. Several generator techniques were compared based on frequency range, total harmonic distortion (THD), and on-chip area. The best alternative for the microfluidic applications is based in a triangle-to-sine converter and presents a frequency range of 8kHz to 21MHz, an output voltage range of 0V to 3.1VPP, and a maximum THD of 5.11%. The fabricated device, has a foot- print of 1560¦Ìm¡Á2030¦Ìm. The amplitude of the outputs is extended using an interface card, achieving voltages of 0V to 15VPP. The generator functionality was tested by performing an experimental set-up with particle trapping. The set-up consisted of a micromachined channel with embedded electrodes configured as two electrical ports located at different positions along the channel. By choosing specific amplitude and frequency values from the generator, different particles suspended in a fluid were simultaneously trapped at different ports. The multichannel stimulator presented here can be used in many microfluidic experiments and devices where particle trapping, separation and characterization is desired. / This dissertation presents the design and implementation of a 16-channel sinusoidal generator to stimulate microfluidic devices that use electrokinetic forces to manipulate particles. The generator has both, independent frequency and independent amplitude control for each channel. The stimulation system is based upon a CMOS application specific (ASIC) device developed using 0.35¦Ìm technology. Several generator techniques were compared based on frequency range, total harmonic distortion (THD), and on-chip area. The best alternative for the microfluidic applications is based in a triangle-to-sine converter and presents a frequency range of 8kHz to 21MHz, an output voltage range of 0V to 3.1VPP, and a maximum THD of 5.11%. The fabricated device, has a foot- print of 1560¦Ìm¡Á2030¦Ìm. The amplitude of the outputs is extended using an interface card, achieving voltages of 0V to 15VPP. The generator functionality was tested by performing an experimental set-up with particle trapping. The set-up consisted of a micromachined channel with embedded electrodes configured as two electrical ports located at different positions along the channel. By choosing specific amplitude and frequency values from the generator, different particles suspended in a fluid were simultaneously trapped at different ports. The multichannel stimulator presented here can be used in many microfluidic experiments and devices where particle trapping, separation and characterization is desired.

Les travaux de cette thèse portent sur le développement de système microfluidiques génériques pour la mesure de propriétés thermodynamiques de solutions de proteines. Un procédé simple de fabrication de puces microfluidiques résistantes à la pression ainsi qu'à la majorité des solvants organiques a été développé. En outre, les propriétés de surface des microcanaux peuvent être ajustées afin de générer des émulsions eau dans huile ou huile dans l'eau. L'étude des interactions proteines-proteines en solution a été réalisée en couplant ces dispositifs expérimentaux à la diffusion de rayonnement X aux petits angles. Avec seulement quelque milligramme de produit, les données expérimentales obtenues ont permis de calculer le second coefficient du Viriel, grandeur thermodynamique permettant de quantifier les interactions entre protéines. Une nouvelle approche expérimentale a également été développée afin de déterminer l'équation d'état du lysozyme, équation reliant la pression osmotique à la fraction volumique. Ce système microfluidique est basé sur le transfert de matière entre d'une phase dispersée vers une phase continue. Dans une certaine gamme d'activité de l'eau, l'équation d'état obtenu est en bon accord avec les données de la littérature. Afin de relier la dynamique du transfert aux propriétés thermodynamique du système une première approche de modélisation est proposée. Cette approche a pour but de déterminer l'équation d'état de la protéine avec une seule goutte. / This thesis is focused on the development of more efficient protocols and systems, by means of generic microfluidic platforms for measuring thermodynamic properties of protein solutions. A simple method for manufacturing pressure-resistant microfluidic structures with high chemical resistance has been developed. In addition, the surface properties of the fabrication materials can be adjusted to generate hydrophilic and hydrophobic surfaces allowing to generate aqueous and non-aqueous emulsions. On a first approach, the study of protein-protein interactions in solution was successfully performed using just a few milligrams of product by coupling a microfluidic platform, developed ad-hoc for this application, to small angle X-ray scattering. The obtained experimental data were used to calculate the second virial coefficient, thermodynamic parameter which quantifies protein interactions. A second and new experimental approach has also been developed to determine protein equations of state (EOS), which relate protein osmotic pressure to its volume fraction in solution. This novel methodology is based on the study of the mass transfer between a dispersed and a continuous phase, which are generated and controlled by means of a microfluidic setup. For a given range of water activity, the resulting EOS was found to be in good agreement with data reported in the literature. To link the mass transfer dynamics to the thermodynamic properties of the system a first modeling approach was proposed. This approach aims to determine the EOS of the protein using a single droplet.