L’électrophorèse est une technique puissante permettant de séparer des biomarqueurs présents dans les liquides biologiques.L’électrophorèse de zone libre transporte des molécules en milieu liquide sous l’influence de deux contributions : le flux électrophorétique et le flux électroosmotique (EOF). C’est ce dernier flux EOF qui permet d’optimiser la résolution analytique de la séparation et donc de simplifier le mélange avant sa détection. Notre équipe a développé un contrôle en temps réel de l’ EOF en intégrant une interface polarisable diélectrique dans un dispositif microfluidique. Le carbone amorphe azoté (CNx avec x=15%) a été choisi comme ce matériau.Comme le CNx ne peut pas être déposé directement sur un substrat de verre à cause de sa faible adhérence, deux matériaux différents ont été proposés comme couche d’accroche : le carbure de silicium (SiC) et le platine (Pt). Nous avons tout d’abord optimisé l’adhésion entre le film CNx et la couche d’accroche SiC par différentes procédures de fabrication. Cependant, en raison d’une faible adhérence, le film CNx s’est rapidement décollé en électrolyte liquide. Par contre, nous avons prouvé que certaines architectures hybrides incluant du Pt dans la couche d’accroche sont incroyablement robustes. Même après deux mois dans une solution millimolaire de KCl, le CNx adhérait toujours au verre sans aucune trace de délamination. Ce dispositif a fourni aussi une grande fenêtre de polarisabilité (de -1V à +1V). Nous avons enfin développé une architecture hybride « couche d’accroche isolée/couche électriquement polarisable/électrodes de grille enterrées/ polymère » afin d’éviter toute perte faradique dans l’électrolyte liquide ou vers les circuits conducteurs du dispositif. A l’issue de ces travaux, nous pensons être en mesure de proposer un composant fluidique complexe et robuste qui permet une modulation en temps réel de l’ EOF lors de migrations électrophorétiques. / Electrophoresis is currently an efficient way to separate precious biomarkers from complex mixtures. It takes place to transport molecules under two contributions: the electrophoretic flow and the electroosmotic flow (EOF). The latter allows to optimize the analytical resolution of the separation.Our team has developed a real-time dynamic control of the EOF by integrating a dielectric polarizable interface in the microfluidic device.Amorphous carbon nitride (CNx with x=15%) has dielectric properties and was chosen to be the polarizable interface. Since it cannot be deposited directly onto glass substrate, we have proposed and studied two different materials as the sticking underlayer: silicon carbide (SiC) and platinum (Pt).In the case of SiC, we have optimized the adhesion between CNx film and SiC underlayer through different fabrication procedures.However, due to poor adhesion, CNx film delaminated into liquid electrolyte quickly.Compared to SiC, Pt is a good sticking underlayerfor CNx. It was found out that even after two months in KCl solution, CNx still stuck robustly toPt. Meanwhile, the device provided a large windowof polarizability (from -1V to +1V). Finally, toavoid any faradic loss in the liquid electrolyte ortowards the conductive circuitry of the device, we have developed a sticking underlayer/electrically polarizable/polymeric hybrid architecture. This architecture appears to be the most robust existing polarizable interface for strong and long-term adhesion onto glass substrates.

L’objectif de cette thèse est la fabrication d’un microdispositif magnétique pour la détection et la manipulation d’éléments biologiques à base de nanoparticules magnétiques en conditions microfluidiques. Il a pour but d’intégrer des fonctions de base de contrôle et détection magnétique, pour atteindre des mesures spécifiques, stables, rapides et reproductibles. En effet, la technique d’immunodosage couplée à des nanoparticules magnétiques, bien connue dans la littérature, nécessite un contrôle du déplacement de ces dernières pour les fonctionnaliser efficacement et créer un complexe biologique encapsulant une molécule cible (biomarqueur). Dans notre cas une molécule modèle pour le domaine de la biodéfense a été utilisée : l’ovalbumine. Pour contrôler le champ magnétique nécessaire pour la capture des complexes magnétiques, nous avons opté pour l’utilisation de microbobines intégrées aux dispositifs fluidiques et comparé cette technique originale avec d’autres plus conventionnelles. Pour détecter un complexe biologique, la fluorescence est largement utilisée en biologie, mais cette technique ne permet pas une intégration complète pour un dispositif autonome. Dans cette optique, nous proposons la détection des complexes à base de nanoparticules magnétiques en relevant la variation de l’inductance d’un microcircuit magnétique refermant une chambre microfluidique contenant ces complexes immunologiques. Le dimensionnement des microbobines de contrôle par simulation a permis de déterminer les paramètres permettant d’obtenir le champ magnétique le plus adapté au contrôle des complexes biologiques. Dans le cas des microbobines utilisées pour la détection, des branches magnétiques micrométriques ont été insérées autour des microbobines pour créer un circuit de détection magnétique encore plus sensible. La réalisation de ces dispositifs a impliqué l’intégration de matériaux et de structures de nature fortement hétérogène, et leur assemblage a nécessité de résoudre de nombreux verrous technologiques. L’enjeu a été de déterminer l’ensemble des étapes successives et nécessaires pour un procédé de microfabrication fiable et reproductible. Pour montrer l’intérêt des dispositifs de capture des nanoparticules magnétiques, des tests immunologiques ont été réalisés tout d’abord en microtubes pour les comparer à ceux réalisés dans un circuit fluidique à l’aide d’aimant externe puis de microbobines intégrées. Dans ce dernier cas, une optimisation considérable a été validée en termes de réduction de temps d’incubation, de reproductibilité des mesures et de limites de détection équivalentes à l’état de l’art pour l’ovalbumine. Pour le dispositif de détection magnétique, des premières expériences de caractérisation électrique ainsi que des études en concentration de nanoparticules magnétiques ont été réalisées et comparées aux résultats obtenus par simulation. Pour la preuve de concept, un démonstrateur de détection de complexes magnétiques a été également finalisé validant la possibilité d’intégration du microcircuit magnétique dans un dispositif fluidique. Il a validé également l’obtention d’une gamme de sensibilité remarquable corrélée à la présence des complexes magnétiques. Ses caractéristiques ont été confrontées à celles obtenues par les simulations et discutées en tenant compte de toutes les étapes critiques du procédé de microfabrication. / RésuméThe objective of this thesis is the fabrication of a magnetic microdevice for the detection and manipulation of biological elements based on magnetic nanoparticles under microfluidic conditions. It aims to integrate basic functions of control and magnetic detection, to achieve specific, stable, fast and reproducible measurements. Indeed, the immunoassay technique coupled to magnetic nanoparticles, well known in the literature, requires a control of the displacement of magnetic nanoparticles to effectively functionalize them and create a biological complex to encapsulate a target molecule (biomarker). In our case, a model molecule for the field of biodefense was used: ovalbumin. To control the magnetic field which is necessary for the capture of magnetic complexes, we opted for the use of microcoils integrated in the fluidic devices and compared this original technique with other more conventional ones. To detect a biological complex, fluorescence is widely used in biology, but this technique does not allow a complete integration for an autonomous device. In this context, we propose the detection of complexes based on magnetic nanoparticles by observing the variation of the inductance of a magnetic microcircuit closing a microfluidic chamber containing these immunological complexes. The design of the control microcoils by simulation made it possible to determine the parameters allowing to obtain the most adapted magnetic field to the control of the biological complexes. In the case of microcoils used for detection, micrometric magnetic branches were inserted around the microcoils to create an even more sensitive magnetic sensing circuit. The realization of these devices involved the integration of materials and structures of highly heterogeneous nature, and their assembly has required to solve many technological locks. The challenge was to determine all the successive and necessary steps for a reliable and reproducible microfabrication process. To show the interest of magnetic nanoparticle capture devices, immunoassays were first performed in microtubes to compare with those made in a fluid circuit using external magnet and integrated microcoils. In the latter case, considerable optimization has been validated in terms of reduction of incubation time, reproducibility of measurements and detection limits equivalent to the state of the art for ovalbumin. For the magnetic detection device, first experiments of electrical characterization as well as concentration studies of magnetic nanoparticles were carried out and compared to the results obtained by simulation. For the proof of concept, a demonstrator of detection of magnetic complexes was also finalized validating the possibility of integration of the magnetic microcircuit in a fluidic device. It has also validated obtaining a remarkable range of sensitivity correlated with the presence of magnetic complexes. Its characteristics were compared to those obtained by the simulations and discussed taking into account all the critical steps of the microfabrication process.

Les tests « in vitro » permettent d’établir près de 70% des diagnostics et leur développement pour une utilisation au plus près du patient apparaît donc comme un enjeu majeur de santé publique. Dans ce contexte, les critères ASSURED (« Affordable, Sensitive, Specific, User-friendly, Rapid and robust, Equipment-free and Deliverable to end-users ») a été défini par l’organisation mondiale de la santé pour que les chercheurs développent des outils de diagnostic dits « Point of Care » utilisables par le plus grand nombre. Avec l’essor de la microfluidique, la gamme des dispositifs possibles s'est élargie et des biocapteurs intégrés ont été développés, transformant le signal biologique d’une reconnaissance d’un biomarqueur par une sonde biologique en un signal optique, électrochimique, mécanique ou encore magnétique. Comme les milieux biologiques sont en grande majorité amagnétiques, les capteurs magnétiques ne sont pas affectés par l’utilisation de matrices biologiques complexes comme peuvent l’être les mesures optiques ou électrochimiques. De plus ces capteurs sont faciles à produire et intégrables dans les puces microfluidiques. Cette thèse a pour objectifs de concevoir un outil de diagnostic in vitro basé sur des capteurs à magnétorésistance géante et de tester ses performances. Cette étude a été réalisée en utilisant une lignée cellulaire de myélome murin. Les cellules sont marquées spécifiquement par des particules magnétiques fonctionnalisées par des anticorps dirigés contre un de leurs antigènes et sont passées dans le canal microfluidique au-dessus des capteurs. Cette méthode de détection dynamique permet de compter les objets magnétiques un par un. La difficulté réside dans la distinction des signaux spécifiques provenant des cellules marquées des signaux faux positifs induits par les billes restant en solution. Deux types de dispositifs ont été conçus dans cette thèse pour lever ce verrou. Le premier possède une couche inerte de séparation de quelques micromètres entre les capteurs GMR et le canal qui permet de supprimer les signaux des billes isolées. Le second dispositif, qui a des capteurs à la fois au-dessus et au-dessous du canal microfluidique, permet une double détection simultanée de chaque objet magnétique. Il est ainsi possible de connaître le nombre de billes qui les marquent et de déterminer s’il s’agit d’un agrégat de billes ou d’un objet biologique. / The « in vitro » tests are requested for the establishment of nearly 70% of diagnoses and their development for on-site detection therefore appears to be a major public health issue. In this context, the ASSURED criterion (« Affordable, Sensitive, Specific, User-friendly, User-friendly, Rapid and robust, Equipment-free and Deliverable to end-users ») has been defined by the World Health Organization to encourage researchers to develop diagnostic tools called « Point of Care » that can be widely used.With the rise of microfluidics, the range of possible devices has broadened and integrated biosensors have been developed, transforming the biological signal from a biomarker recognition by a biological probe into an optical, electrochemical, mechanical or magnetic signal. As biological environments are largely non-magnetic, magnetic sensors are not affected by the use of complex biological matrices as are optical or electrochemical measurements. In addition, these sensors are easy to produce and can be integrated into microfluidic chips. The objectives of this thesis are to design a diagnostic tool in vitro based on giant magnetoresistance sensors and to test its performance. Its development was carried out using a murine myeloma cell line. The cells are specifically labeled by magnetic particles functionalized by antibodies directed against one of their antigens and flown in the microfluidic channel above the sensors. This dynamic detection method allows magnetic objects to be counted one by one. The challenge is to distinguish the signals coming from the labeled cells from those of the beads remaining in solution. In order to address this problem, two labs on chips are developed in this thesis. In a first device, an inner layer of a few micrometers separates the sensors from the channel which allows to suppress the signals of the isolated beads. The second device has sensors both above and below the microfluidic channel and can measure the number of beads corresponding to each doubly detected object which can thus be identified (aggregates or biological objects).

Développement d'une plateforme microfluidique pour la microbiologie quantitative. La plateforme permet la culture de milliers de colonies en parallèle dans des micro-gouttes. L'utilisation de tableau statique pour stocker les gouttes permet non seulement leur observation dans le temps pour des analyses dynamiques mais également la récupération de n'importe quelle goutte pour des études complémentaires. Nous avons également développé un outil permettant de soumettre les gouttes à des gradients chimiques directement sur la plateforme dont nous présentons les mécanismes physiques. Nous avons développé un software d'analyse des données générées par la plateforme pour l'étude de modèles de croissance bactérienne ainsi que l'impact des antibiotiques sur leur prolifération. / Development of a microfluidic chip for quantitative microbiology. The chip allow for parallel culture of thousands bacterial colonies in micro-droplets stored in static array. The 2D-array enable not only the visualisation of each colonies in timelapse experiment but also the extraction of any of them out of the chip at any time for further analysis (PCR, re-culture,...). The platform is adaptable to a concentration gradient producer, for which we present the physical understanding of working mechanism, that can apply different chemical environments to each colony. We developed in parallel a software that perform the analysis of the data generated by the platform to adress bacteria growth studies as well as the impact of antibiotics on bacteria proliferation.

Nous nous sommes intéressés à l'auto-enroulement de films de polydimethylsiloxane (PDMS) oxydés dans des vapeurs de solvant. Brièvement, des films minces de PDMS sont obtenus par enduction sous centrifugation. Ces films sont ensuite exposés à un plasma d'oxygène, ce qui a pour conséquence d'oxyder et de rigidifier leurs surfaces. Lorsque ces systèmes sont exposés à certains solvants en phase gazeuse, le PDMS non-oxydé gonfle. Cela mène à l'auto-enroulement des films et donc à la formation de capillaires. Ce mécanisme est intéressant pour la fabrication de canaux microfluidiques car ce qui deviendra la surface interne desdits canaux peut-être caractérisé et fonctionalisé avant l'enroulement.Dans un premier chapitre, différents aspects de l'auto-enroulement sont passés en revue théoriquement et numériquement.Un second chapitre expérimental est dédié à l'étude de la couche oxydée par nano-indentation AFM. Les propriétés mécaniques du système composite (couche dur sur substrat mou) sont mesurées et interprétées au moyen d'un nouveau modèle pour extraire notamment l'épaisseur du film oxydé.Dans un troisième chapitre, l'auto-enroulement des tubes lui-même est étudié. Le diamètre interne des capillaires obtenus en fonction de paramètres expérimentaux est examiné et confronté à la théorie. Plusieurs démonstrations de principe de tube avec une surface interne fonctionnalisée sont fournies.Enfin, pour répondre à des problématiques d'intégration des systèmes dans une structure microfluidique plus complexe, une méthode innovante est proposée dans un quatrième et dernier chapitre. Basée sur l'impression jet d'encre de moules sacrificiels, la méthode est d'abord mise en place expérimentalement. De nombreuses démonstrations de principe du vaste potentiel de cette idée sont ensuites proposées. / The guideline of this work is the spontaneous rolling of oxidized polydimethylsiloxane (PDMS) thin films in organic solvant vapors. Briefly, thin films of PDMS are produced by spin coating. Those films are then exposed to oxygen plasma which oxidizes and hardens their surfaces. When those systems are immersed in appropriate solvent vapors, non oxidized PDMS selectively swells. This leads to the spontaneous rolling of the films and thus to the formation of capillaries. This mechanism is of great interest for the fabrication of microfluidic channels because what is to become the inner surface of those channels can be characterized and functionalized prior to rolling.In a first chapter, different aspects of spontaneous rolling are reviewed theoretically and numerically.A second chapter is dedicated to the investigation of the oxide layer by AFM nanoindentation. The mechanical properties of the composite system (hard layer on a soft substrate) are measured and interpreted with a new model in order to extract in particular the thickness of the oxide layer.A third chapter dwells on engineering of the rolled-up tubes. The inner diameter of the capillaries as a function of experimental parameters is measured and confronted to theory. We present tubes with various inner surface functionalizations as a proof of concept of the method.Finally, in order to solve the issue of the integration of the system in a wider structure, an innovative method is proposed in a final fourth chapter. Based on the fabrication of a sacrificial mold by inkjet printing, the method is first established and implemented. Several proof-of-concept systems are then displayed in order to demonstrate the great potential of that idea.

Ce travail concerne la synthèse, les études des propriétés photophysiques et de complexation des molécules fluorescentes pour la détection sélective de cations toxiques tels que le césium, l'uranyle et l'arsenic. Tout d'abord, deux nouveaux capteurs fluorescents pour le césium, Calix-COU-P et Calix-COU-Benz-CN, comportant le Calix[4]arène-couronne-6 et le fluorophore coumarine ont été synthétisés avec succès. En ce qui concerne le Calix-COU-P, une forte exaltation de fluorescence et un déplacement bathochrome d'absorption ont été observés en présence de césium dans l'eau. Une très bonne limite de détection (0,77 μM) ainsi qu'une excellente sélectivité vis-à-vis du césium ont été observées, démontrant que Calix-COU-P pourrait être un capteur exceptionnel pour la détection de césium dans l'eau. Calix-COU-Benz-CN possède quant à lui des propriétés photophysiques prometteuses dans un milieu partiellement aqueux avec des bandes d'absorption et de fluorescence intenses en visible grâce à la présence des groupements benzothiazole et cyano. L'addition de césium conduit aux déplacements ver le bleu des spectres d'absorption et une augmentation de l'intensité de fluorescence. L'étude de la cinétique de complexation entre Calix-COU-Benz-CN et Cs+ par la technique « stopped-flow » a montré une cinétique rapide à faibles concentrations de cations et une cinétique plus longue à des concentrations élevées (> 10 mM). Calix-COU-Benz-CN a ensuite été incorporé dans un dispositif microfluidique. Une courbe d'étalonnage qui représente l'intensité de fluorescence en fonction de la concentration du césium montre une valeur de limite de détection de l’ordre de 2,0 μM. Deux composés analogues contenant la même entité complexante Calix[4]arène-couronne-6 ont été également synthétisés et greffés sur des nanoparticules magnétiques afin d’obtenir un matériau fonctionnalisé pour la décontamination de l’eau contenant le césium radioactif. L'étude préliminaire montre que les nanoparticules fonctionnalisées pourraient capter efficacement une quantité très faible du césium dans l’eau contaminée. Par la suite, en vue de développer des capteurs pour l’uranyle, une série de dérivés de salicylaldéhyde-azine ont été synthétisés et caractérisés. Leurs propriétés d'émission induites par l'agrégation (AIE) ont été étudiées. Dans un mélange eau/acétonitrile, les composés U1 et U2 présentent une forte fluorescence lors de l'agrégation tandis que le composé U3 ne présente pas cet effet AIE dans la même condition. Grâce aux sites de complexation contenant des atomes d’oxygène et d'azote, ces molécules présentent une complexation efficace avec les ions uranyle et induire une extinction de la fluorescence. Dans notre étude, il était intéressant de noter la présence d’uranyle conduit à une destruction de l'agrégation, en particulier pour la molécule U2 dans un mélange eau / acétonitrile 60:40. L’extinction de l’émission a été expliquée par des processus de destruction d'agrégats émissifs lors de la complexation avec le cation. Le mécanisme proposé a été validé par des expériences de diffusion dynamique de la lumière et de microscopie électronique à balayage. Le composé U2 présente une bonne sélectivité vis-à-vis de l'uranyle en présence des lanthanides et des autres cations compétitifs. Le capteur permet la détection de concentrations de l’ordre ppb en uranyle. Enfin, la synthèse et l'étude de nouveaux capteurs pour la détection de l’arsenic ont également été discutées. Une série de capteurs fluorescents portant l’entité complexante cystéine a été synthétisée et leurs propriétés complexantes pour l'arsenic ont été étudiées. De plus, des nanoparticules d'or modifiées par la cystéine, le glutathion et le dithiothréitol ont été synthétisées. La complexation de l'ion arsenic avec ces nanoparticules a été étudiée et discutée. Une perspective sur le développement de nouveaux capteurs pour l’arsenic a été proposée. / This thesis focuses on the synthesis, photophysical and complexation studies of fluorescent molecules for the selective detection of toxic cations such as cesium, uranyl and arsenic. Firstly, two new fluorescent sensors Calix-COU-P and Calix-COU-Benz-CN for cesium cations based on Calix[4]arene-crown-6 and coumarin fluorophore were successfully synthesized. For Calix-COU-P, a remarkable fluorescence enhancement and a red shift in absorption were observed due to the complexation with cesium cation in water. Good detection limits (0.77 µM) together with an excellent selectivity towards cesium were observed, demonstrating that Calix-COU-P could be an outstanding sensor for the detection of cesium cation in water. Calix-COU-Benz-CN possesses exceptional photophysical properties in an organoaqueous solution with intense visible absorption and emission bands thanks to benzothiazole and cyano groups. The addition of cesium cation to Calix-COU-Benz-CN offered noticeable blue shifts of the absorption spectra and considerably enhanced the emission intensity. The kinetic study of the complexation between Calix-COU-Benz-CN and Cs+ by stopped-flow experiments showed a rapid kinetic at small concentrations of cations and a lower kinetic at higher concentrations (> 10 mM). Calix-COU-Benz-CN was then incorporated into a microfluidic device. The voltage signals, which are proportional to the fluorescence intensity, were monitored continuously at various cesium concentrations. A calibration curve which represents the fluorescence intensity as a function of cesium cation concentration gives a value of detection limit up to 2.0 µM. This value is only slightly higher than the detection limit obtained by fluorescence titration (1.67 µM), which suggests that the microfluidic device is capable to provide good sensitivity towards targeted ion for real-world applications. Furthermore, two analogous compounds Calix-DOP and Calix-DOP-P containing the same complexing entity were also synthesized and grafted onto magnetic nanoparticles in order to obtain a functionalized material for the decontamination of the water containing radioactive cesium. The preliminary study shows that functionalized nanoparticles could efficiently sequester cesium ions from contaminated water.Afterward, to develop new sensors for the detection of uranyl cations, a series of salicylaldehyde azine derivatives have been synthesized and characterized. Their aggregation induced emission properties were studied. In water/acetonitrile solvent, compounds U1 and U2 exhibited strong fluorescence upon aggregation while compound U3 did not aggregate and stayed in solution as well-dispersed molecules. Owning to oxygen and nitrogen binding sites, the molecules could complex uranyl ions and induced fluorescence quenching. In our study, it was interesting to understand that the effect of uranyl was somewhat more destructive rather than constructive to the aggregation. The most obvious quenching effect was observed for the aggregates of U2 in water/acetonitrile 60:40. The emission quenching was explained by aggregate-breaking processes, that the emitting aggregates could be destroyed by the complexation with uranyl cation. The proposed mechanism was further supported by dynamic light scattering and scanning electron microscope experiments. Compound U2 showed good selectivity towards uranyl over lanthanides and other common cations. The sensor could detect uranyl up to ppb scale.Finally, synthesis and studies of new sensors for the detection of arsenic ion were also discussed. A series of fluorescent sensors bearing cysteine moiety was synthesized and their complexing properties for arsenic were studied. Furthermore, gold nanoparticles which were modified by cysteine, glutathione and dithiothreitol were synthesized. The complexation of arsenic ion with these modified gold nanoparticles was studied and discussed. A perspective for further development of arsenic sensors was proposed.

Titre de l'écran-titre (visionné le 6 novembre 2023) / Les dispositifs microfluidiques exploitent les propriétés chimiques et physiques des gaz et des liquides à l'échelle microscopique. Comparés aux systèmes à l'échelle macroscopique, les dispositifs microfluidiques offrent plusieurs avantages. Ils permettent l'utilisation de volumes plus petits de matériaux, réduisant ainsi les coûts d'application à l'échelle mondiale. Leur petite taille permet l'exécution simultanée de plusieurs procédures, ce qui réduit le temps d'expérimentation. De plus, les systèmes microfluidiques ont le potentiel d'augmenter considérablement le débit et peuvent être intégrés de manière transparente à d'autres systèmes pour permettre des tests d'automatisation. En plus de l'analyse, ils offrent également une plateforme intéressante pour les réactions chimiques. Les chercheurs ont synthétisé des particules, des fibres, des membranes et d'autres structures complexes via des dispositifs microfluidiques. Dans ce projet, nous avons exploité les techniques microfluidiques pour explorer les diverses applications de la membrane de chitosane en tant que matrice pH-sensible pour les études de systèmes de délivrance de médicaments (DDS) et en tant que matériau fonctionnel pour la mesure du débit. En utilisant des dispositifs microfluidiques pour préparer des membranes de chitosane intégrant des nanoparticules de silice, nous avons obtenu une programmabilité spatio-temporelle et des profils de libération complexes pour les nanocarriers dans les études DDS. De plus, nous avons démontré le potentiel d'un dispositif microfluidique en forme de X avec une membrane de chitosane biréfringente en tant que capteur de débit, permettant le calcul du débit en fonction des variations d'intensité. De plus, en incorporant des cristaux à réflexion totale atténuée (ATR) à simple rebondissement dans des dispositifs microfluidiques, nous avons permis des tests in situ par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR). Cela a permis la caractérisation des changements de liquide, des expériences parallèles et de l'écoulement laminaire focalisé. L'intégration de cristaux ATR dans un dispositif microfluidique de réacteur a facilité l'étude de la cinétique des réactions avec une résolution temporelle remarquable, permettant une compréhension complète des réactions diverses par l'analyse ATR-FTIR. De plus, notre méthodologie a fourni un moyen systématique d'évaluer les composants de mélange microfluidique dans des conditions d'écoulement variables. Dans l'ensemble, ce projet démontre le potentiel des techniques microfluidiques pour faire progresser les systèmes de délivrance de médicaments, la détection de débit, l'analyse spectroscopique et les études de cinétique des réactions. / Microfluidic devices exploit the chemical and physical properties of gases and liquids at a microscale. Compared to macro-scale systems, microfluidic devices provide several advantages. They enable the use of smaller volumes of materials, hence lowering application costs globally. Its small size allows for simultaneous execution of several procedures, cutting down on experimentation time. Furthermore, microfluidic systems have the potential to significantly increase throughput and can be seamlessly integrated with other systems to enable automation testing. In addition to analysis, it also provides a good platform for chemical reactions. Researchers synthesized particles, fibers, membranes, and other complex structures via microfluidic devices. In this project, we leveraged microfluidic techniques to explore the diverse applications of chitosan membrane as a pH-sensitive matrix for drug delivery system (DDS) studies and as a functional material for measuring flow rate. By utilizing microfluidic devices to prepare chitosan membranes embedded with silica nanoparticles, we achieved spatiotemporal programmability and complex release profiles for nanocarriers in DDS studies. Additionally, we demonstrated the potential of an X-shaped microfluidic device with a birefringent chitosan membrane as a flow sensor, enabling flow rate calculations based on intensity changes. Furthermore, by incorporating single-bounce attenuated total reflection (ATR) crystals into microfluidic devices, we enabled in situ Fourier-transform infrared (FTIR) testing. This allowed for the characterization of liquid changes, parallel experiments, and focusing laminar flow. The integration of ATR crystals into a microfluidic reactor device facilitated the investigation of reaction kinetics with remarkable time resolution, achieving a comprehensive understanding of diverse reactions through ATR-FTIR analysis. Moreover, our methodology provided a systematic means of assessing microfluidic mixing components under varying flow conditions. Overall, this project demonstrates the potential of microfluidic techniques in advancing drug delivery systems, flow sensing, spectroscopic analysis, and reaction kinetics studies.

Ce mémoire traite la conception, la microfabrication et la caractérisation d’une matrice de microélectrodes dans une architecture microfluidique pour l’analyse par imagerie électrochimique des substances biochimique. Un nouveau procédé de microfabrication des moules des canaux microfluidiques a été développé en utilisant un procédé de photolithographie d’une résine photosensible sèche et solide. Le microcanal est fabriqué à partir de 2 substrats collés par plasma avec une matrice de 200 microélectrodes (ME). Les dimensions de chaque électrode sont de 340 μm x 340 μm fabriqués sur un circuit imprimé (PCB : printed circuit bord). La surface des électrodes a été modifiée par électrodéposition du nickel et de l’Au pour améliorer les courbes cyclo voltamétriques. Une caractérisation électro-analytique du micro-dispositif est réalisée par voltamétrie cyclique en écoulement laminaire. Le nouveau dispositif proposé nous a permis d’obtenir des images électrochimiques en pixélisant le microcanal avec la MME. Cette pixellisation du microcanal est une cartographie de l’intensité du courant et donc de la concentration des molécules dans le microcanal. Des simulations numériques 2D de la vitesse, pression ainsi que de la diffusion chimique ont été réalisées en utilisant un logiciel de modélisation par éléments finis (COMSOL). Des images microscopiques ont été aussi analysées afin de localiser la distribution des molécules à l’intérieur du canal microfluidique. Mots Clés : Microélectrodes, microfluidique, laboratoire sur puce, analyse électrochimique, circuit imprimé, oxydoréduction. / In this project we present a complete microfluidic platform with integrated 200 electrodes for in situ screening and imaging of biochemical samples through a lab-on-chip system. We incorporated electrochemical sensor arrays (20x10) connected to a PCB into a 200 μm tall microfluidic channel. The micro-channel contains three inlets, two of which where used to introduce phosphate buffer saline (PBS), which confined a central stream of ferrocynide solution. A custom multiplexer and potentiostat were used to sequentially perform cyclic voltammetry on each electrode. The behaviour of the system was linear in term of variation of current versus concentration. A pseudo real-time interface collected currents from each electrode. It was then analyzed to detect different species and their concentrations at different locations on-chip. An electrochemical image was generated presenting the concentration distribution inside the microfluidic device. A numerical calculation with COMSOL was achieved to solve Navier-Stocks equation to confirm experimental results, finally microscopic image analyzed to show the position of the confined flow. Key words : Microelectrodes, microfluidics, lab-on-a-chip, electrochemical analysis, printed circuit board, redox reaction.

Les biofilms sont largement répandus dans la plupart des écosystèmes terrestres. Ils peuvent être formés par la plupart des microorganismes. Dans le cadre de cette thèse, les biofilms bactériens, plus spécifiquement ceux formés par la bactérie Pseudomonas sp. CT07, ont été étudiés. Ils ont plusieurs rôles, utiles ou nuisibles, pour la santé humaine, l’agriculture et l’industrie. Contrairement aux bactéries planctoniques qui peuvent nager librement, les bactéries sessiles s’attachent aux surfaces où elles peuvent former des biofilms. Pendant ce processus, elles produisent une matrice extracellulaire faite de, mais pas exclusivement, polysaccharides, de protéines, d’ADN et d’ARN. Les propriétés mécaniques de la matrice rendent le biofilm très résilient à son environnement. Elle est viscoélastique et les bactéries peuvent modifier de manière dynamique les propriétés mécaniques du biofilm. La grande variété de groupements fonctionnels disponibles grâce aux différentes biomolécules qui sont présentes dans la matrice permettent de piéger des molécules organiques et les ions dissous. Cela est responsable de plusieurs mécanismes de résistance bactérienne aux antibiotiques. L’objectif principal de cette thèse est de concevoir de nouvelles méthodologies analytiques pour étudier les biofilms et obtenir plus d’informations sur leur structure et ce qui peut les influencer. La spectroscopie infrarouge et la microscopie optique ont été utilisées dans des canaux microfluidiques pour suivre la croissance des biofilms. La combinaison des deux techniques permet l’obtention d’informations sur la composition en différentes biomacromolécules et sur la structure du biofilm. Ces méthodes ont permis d’évaluer l’efficacité de l’inoculation directe et de l’inoculation par un biofilm en amont. L’utilisation de microcanaux avec un faible rapport d’aspect a conduit en des différences importantes dans les conditions hydrodynamiques entre le centre du microcanal et ses coins. Dans cette configuration, les biofilms ont tendance à croître à partir des murs de côté qui sont plus courts. À cet endroit, les forces de cisaillement sont les plus faibles. La microscopie confocale intermittente montre la présence de canaux d’eau exempts de bactéries à l’intérieur d’un biofilmà proximité du coin du microcanal. Nous émettons l’hypothèse que ce canal a un rôle important dans le transfert de masse à l’intérieur du biofilm lorsqu’il devient plus épais. Lorsque les biofilms des bactéries Pseudomonas croissent, leur structure peut être influencée par le type de milieu de culture. Les biofilms croissant dans les milieux complexes obtenus à partir d’extraits de levure peuvent former des structures allongées nommées streamers qui ont été analysées par microscopie confocale à balayage laser. L’imagerie en trois dimensions de ces structures dans des microcanaux droits est rapportée pour la première fois. Dans un milieu de culture minimal avec le citrate de sodium comme seule source de carbone, nous avons observé et quantifié des patrons fractals à la base du biofilm dans le temps. Nous avons aussi conçu un dispositif microfluidique pour l’étude in situ par spectroscopie Raman exaltée par les surfaces (SERS). Cette méthode permet d’avoir un signal Raman rehaussé et une sensibilité élevée pour le citrate de sodium, une source de carbone commune pour les bactéries, à faible concentration. Les différentes méthodologies développées dans le cadre de cette thèse peuvent être appliquées à d’autre systèmes plus complexes dans le futur. La combinaison de la microfluidique pour le contrôle précis de l’écoulement ainsi que les mesures multiplexées dans des microcanaux en parallèle est la clé pour obtenir des indices importants et statistiquement pertinents sur la croissance des biofilms et les méthodes pour les contrôler. / Biofilms are widely spread among most of earth ecosystems. They can be formed by a variety of microorganisms. In the scope of this thesis, bacterial biofilms, more specifically those formed by the bacterium Pseudomonas sp. CT07, have been studied. They have many roles, useful and harmful, for the human health, agriculture and industry. As opposed to planktonic bacteria that can swim freely, sessile bacteria are attached to surfaces where they can form biofilms. During this process, they produce an extracellular matrix made of, but not exclusively, polysaccharides, proteins, DNA and RNA. The mechanical properties of the matrix make the biofilm very resilient to its surrounding environment. It is viscoelastic, and the bacteria can dynamically modify the mechanical properties of the biofilm. The high variety of functional groups available due to the different biomolecules present allows trapping of organic molecules and dissolved ions by the matrix. This is responsible for multiple mechanism of resistance to antimicrobial by bacteria. The main objective of this thesis is to develop new analytical methodologies to study biofilms and obtain more insights on the structure of biofilms and what can influence them. Infrared spectroscopy and optical microscopy were used in microfluidic channel to follow biofilm growth. The combination of the two techniques enabled acquisition of information on the composition in biomacromolecules and biofilm structure. These methods allowed to assess the efficiency of direct inoculation and inoculation from an upstream biofilm. The use of low aspect ratio channels resulted in strong differences in hydrodynamic conditions between the middle of the channel and the channel corners. In this configuration biofilms tended to grow from the short side-walls of microchannels where shear stress was lowest. Time-lapse confocal microscopy showed the presence of a biochannel inside the biofilm in the corner positions. It is hypothesized that this channel has an important role in mass transfer in biofilm as it grows thicker. As the biofilms of Pseudomonas bacteria grew, their structure could be influenced by the type of growth media. Biofilms grown in complex media obtained from yeast cell extract could form elongated structures called streamers which were analysed with confocal laser scanning microscopy. Three-dimensional imaging of these structures in regular straight microchannels is the first of its kind. In a minimal medium with citrate as the sole carbon source, we observe and quantify time-dependant fractal patterns at the biofilm base. We have also developed a microfluidic device for in situ study by surface enhanced Raman spectroscopy (SERS). This method allows having enhanced Raman signal and high sensitivity of sodium citrate, a common carbon source for bacteria, at low concentration. The different methodology developed in this thesis can be applied to more complex systems in the future. Combination of microfluidic for precise flow control and multiplexed measurement in massively parallelized channels is key to get deeper, statistically relevant insights in biofilm growth and methods to control them.

Le Syndrome de Détresse Respiratoire Aiguë (SDRA) est une maladie inflammatoire courante en service de réanimation qui touche environ 10% des patients. Une augmentation pathologique de la rigidité et/ou de l'adhésion des leucocytes des patients atteints du SDRA semble être un des facteurs déclenchants majeurs de la maladie. Nous avons utilisé la microfluidique pour mimer le passage des cellules dans les capillaires pulmonaires. L'observation du passage de cellules modèles (lignée monocytaire humaine THP-1) dans des constrictions microfluidiques (H=12µm et W=6µm) a permis de mesurer leur temps d'entrée. Ensuite nous avons incubé des cellules dans des sérums issus de malades et étudié leurs caractéristiques de passage dans des constrictions microfluidiques en fonction du temps d'incubation et de la concentration en sérum. Ces résultats sont ensuite comparés à la composition des sérums en cytokines (IL-1β, IL-6, IL-8, IL-10, IL-17, TNF-α, TGF-β et INF-γ). Des corrélations entre l'IL-8, IL-1β, le TNF-α et le temps d'entrée ont été trouvés. Ces deux cytokines peuvent jouer un rôle dans la rigidité cellulaire lors de cette maladie. En incubant ainsi nos cellules avec les recombinants humains (IL-8, IL-1β et Tnf-α), nous avons constaté une augmentation de la rigidité des cellules. D'un point de vue médical nous avons montré que l'utilisation d'anticorps bloquants anti IL-8, anti IL-1β et anti TNF-α permet de protéger les cellules. / The project consists in using microfluidic devices to test human leukocyte behavior in microcirculation. Adult Respiratory Distress Syndrome (ARDS) is a disease that affects numerous patients in intense care services with a rate of death 50%. It is triggered to the sequestration of neutrophils within the lung microvasculature. There is neither diagnostic nor efficient treatment now. We study the properties of the passage of THP-1, and real neutrophils in micro-channels of width 6µm. In order to improve the understanding of SDRA, we also incubate models cells in patient's serums who are suffering from ARDS and diagnostic tools are being developed in collaboration with the hospitals of Marseille.