De nouveaux radiotraceurs sont continuellement développés pour améliorer l'efficacité diagnostique en imagerie moléculaire, principalement en tomographie d'émission par positrons (TEP) et en tomographie d'émission monophotonique (TEM) dans les domaines de l'oncologie, de la cardiologie et de la neurologie. Avant de pouvoir être utilisés chez les humains, ces radiotraceurs doivent être caractérisés chez les petits animaux, principalement les rats et les souris. Pour cela, de nombreux échantillons sanguins doivent être prélevés et analysés (mesure de radioactivité, séparation de plasma, séparation d'espèces chimiques), ce qui représente un défi majeur chez les rongeurs à cause de leur très faible volume sanguin (-1,4 ml pour une souris). Des solutions fournissant une analyse partielle sont présentées dans la littérature, mais aucune ne permet d'effectuer toutes les opérations dans un même système. Les présents travaux de recherche s'insèrent dans le contexte global d'un projet visant à développer un système microfluidique d'analyse sanguine complète en temps réel pour la caractérisation des nouveaux radiotraceurs TEP et TEM. Un cahier des charges a tout d'abord été établi et a permis de fixer des critères quantitatifs et qualitatifs à respecter pour chacune des fonctions de la puce. La fonction de détection microfluidique a ensuite été développée. Un état de l'art des travaux ayant déjà combiné la microfluidique et la détection de radioactivité a permis de souligner qu'aucune solution existante ne répondait aux critères du projet. Parmi les différentes technologies disponibles, des microcanaux en résine KMPR fabriqués sur des détecteurs semiconducteurs de type p-i-n ont été identifiés comme une solution technologique pour le projet. Des détecteurs p-i-n ont ensuite été fabriqués en utilisant un procédé standard. Les performances encourageantes obtenues ont mené à initier un projet de maîtrise pour leur optimisation. En parallèle, les travaux ont été poursuivis avec des détecteurs du commerce sous forme de gaufres non découpées. Un premier dispositif intégrant des canaux en KMPR sur ces gaufres a permis de valider le concept démontrant le grand potentiel de ces choix technologiques et incitant à poursuivre les développements dans cette voie, notamment en envisageant des expériences animales. L'utilisation prolongée des canaux avec du sang non dilué est cependant particulièrement exigeante pour les matériaux artificiels. Une passivation à l'albumine a permis d'augmenter considérablement la compatibilité sanguine de la résine KMPR. Le concept initial, incluant la passivation des canaux, a ensuite été optimisé et intégré dans un système de mesure complet avec toute l'électronique et l'informatique de contrôle. Le système final a été validé chez le petit animal avec un radiotraceur connu. Ces travaux ont donné lieu à la première démonstration d'un détecteur microfluidique de haute efficacité pour la TEP et la TEM. Cette première brique d'un projet plus global est déjà un outil innovant en soi qui permettra d'augmenter l'efficacité du développement d'outils diagnostiques plus spécifiques principalement pour l'oncologie, la cardiologie et la neurologie.

Ce travail de recherche porte sur le développement d'une plateforme microfluidique de type laboratoire sur puce pour la mesure du pouvoir infectieux d'agents pathogènes présents dans l'eau. La principale fonction étudiée dans ce manuscrit est la concentration de parasites en suspension dans un liquide. La manipulation des microparticules est basée sur l'emploi de forces électrocinétiques. Une analyse numérique en deux et trois dimensions apporte des informations qualitatives. Elle permet également d'extraire les valeurs géométriques clés des électrodes employées pour la concentration des microparticules. Ces premiers résultats théoriques sont confirmés expérimentalement à l'aide de deux dispositifs contenant une grande variété de concentrateurs. A partir des éléments théoriques et expérimentaux, nous concevons un concentrateur optimisé. Il est intégré dans un dispositif employant la technique de déplacement de goutte par électromouillage sur diélectrique (EWOD). Ce système est employé selon trois modes : concentrateur, extracteur et séparateur. Des oocystes de Cryptosporidium et des kystes de Giardia lambia sont utilisés pour la caractérisation du dispositif. Enfin, des résultats préliminaires de cultures cellulaires sur des surfaces fonctionnalisées à l'échelle de la centaine de micromètres permettent d'envisager le développement d'une plateforme microfluidique complète d'analyse du pouvoir infectieux d'agents pathogènes du genre Cryptosporidium.

Aux petites échelles, les équilibres physiques sont bouleversés. En particulier, les forces de contact, de friction et d'adhésion deviennent prépondérantes au regard des autres effets, perturbant ainsi la manipulation des entités appartenant au micro-monde.<br />Ce travail apporte une contribution aux techniques de micromanipulation sans contact dans les microsystèmes intégrés. En nous appuyant sur le principe de la lévitation diamagnétique, qui bénéficie très favorablement de la réduction d'échelle, nous supprimons tout contact physique entre les dispositifs et les microparticules manipulées.<br />Ce point clé nous a permis de démontrer, à travers des structures intégrées et/ou prototypes, la faisabilité d'une microfluidique digitale dans l'air et sans contact, et entre autres le confinement, le micropositionnement et l'actionnement sans contact de divers bioparticules. Ces réalisations ouvrent des perspectives intéressantes au développement de microréacteurs biochimiques sans contamination.

Cette thèse est consacrée à l’étude de processus de concentration de solutions colloïdales par voie microfluidique, pour former des matériaux denses et structurés. A partir d’un outil basé sur la perméation de l’eau à travers le PDMS : le microévaporateur, nous proposons de contrôler le séchage de solution pour maîtriser la concentration de solutés afin de former des états denses organisés au choix, alternant cristaux et états amorphes de colloïdes. En adaptant les outils de microévaporation à différentes techniques d’observations, la nucléation et la croissance d’états denses ont été finement étudiées et correlées à un modèle simple de la microévaporation. Ces études expérimentales ont montré le contrôle précis qu’apporte le microévaporateur sur les cinétiques de concentration d’espèces chimiques pour la formation d’états denses de particules.Des études complémentaires ont aussi mis en évidence l’existence d’une dynamique de construction de cristaux colloïdaux avec des réorganisations au niveau du front ainsi qu’un effet de compaction présents lors de la croissance de l’état dense. / This work is devoted to studying processes of colloidal solutions concentration by microfluidic way to shape dense and organized states. Using a tool based on the water permeation through the PDMS: the microevaporator, we propose to control drying of solution for controlling solute concentration to form dense states as one chooses, alternating crystals and amorphous states of colloids.By adapting microevaporation tool at different observation techniques, nucleation and growth are particularly studied and correlated to a simple microevaporation model. This experimental work demonstrates the good control on kinetics of chemical species concentration offered by microevaporation, in order to shape dense states of particles.Further studies also reveal existence of a dynamic construction of colloidal crystal with some reorganization in the front growth and a compaction effect of the dense state during the growth.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

La récupération assistée du pétrole implique la progression dans unmilieu poreux d'une phase aqueuse qui pousse une phase organique. Al'échelle du pore, les forces visqueuses et la gravité sontnégligeables, et la capillarité joue un rôle prépondérant : ledéplacement des fluides est gouverné par leur affinité avec lessurfaces et par les hétérogénéités de canaux. Les films liquidesexistent dans les pores d'une roche. Trois systèmes microfluidiquessont mis en place pour étudier le rôle des films microscopiques (demouillage) ou des films macroscopiques (de coins). Le premier consisteen un capillaire de section circulaire dans lequel on suit lemouvement d'un ménisque dans des conditions de mouillage variées. Enparticulier, en mouillage pseudo-partiel, un hystérésis d'angle decontact est observé, mais les films de mouillage présents dans cesystème conduisent à un accrochage de ligne de contact beaucoup plusfaible qu'en absence de film. Les deuxième et troisième systèmesmettent en évidence l’influence des films de coins dans un canalrectangulaire sur l'avancée du ménisque. Le couplage de l'écoulemententre la phase du coin et la phase du milieu entraîne le drainage del’huile piégée. Les propriétés de ce nouveau mécanisme sontcaractérisées par des expériences et s’accordent avec le modèleconstruit. / Enhanced oil recovery involves the displacement of an organic fluid byan aqueous one in the pores of the rocks. At the pores scale. Thedisplacement of fluids is governed by wetting condition of the system.The viscous and gravity forces are negligible and the capillarityplays a dominant role heterogeneities of channel sizes. Threemicrofluidic systems are designed to study experimentally the role ofmicroscopic liquid films (wetting) or macroscopic ones (corners) inthe pores level. The first one consists of the displacement of ameniscus in a circular capillary with various wetting conditions. Inparticular, for pseudo-partial wetting systems, a contact anglehysteresis is observed but with a weak pinning as compared to partialwetting systems where there are non wetting films. The second andthird ones show the influences of liquid films in the corners of asquare channel. The coupling between the corner flows and the mainflow involves the drainage of the trapped oil cluster. The propertiesof this new mechanism are consistent with the theoretical model, andalso characterized by experiments.

Une étude haut-débit de la polycondensation du silicate est réalisée grâce à des outils robotisés couplés à des mesures macroscopiques (turbidité, gélification). Cette approche permet de dégager les limites de gélification d'un silicate industriel ainsi que les mécanismes mis en jeu. Cette thèse présente aussi deux outils miniaturisés basés sur des technologies microfluidiques, adaptés à des mesures in-situ et sous écoulement de diffusion des rayons X aux petits angles et de diffusion dynamique de la lumière. Ces outils permettent d'étudier les mécanismes de la polycondensation du silicate de sodium dans le procédé industriel, à des échelles de temps courtes (1 à 10 s). / Abstract

L'écoulement des fluides complexes à l'échelle micrométrique est une problématique qui intéresse notamment la récupération assistée du pétrole. Ici, les fluides sont des solutions de polymères et de tensioactifs capables de s'auto-assembler en micelles géantes. Nous étudions ces écoulements au sein d'outils microfluidiques fabriqués en résine SU-8 selon un protocole développé pendant cette thèse. Nous avons réalisé des expériences de drainage d'huile en milieux poreux et montré que la rhéofluidification et le glissement promeuvent le phénomène de digitation pendant l'invasion. Nos expériences montrent que ces solutions peuvent être élastiquement turbulentes à de faibles nombre de Reynolds. Ces instabilités de vitesse ont des conséquences sur la rhéologie locale du fluide dans un simple canal droit et sont une source de dissipation additionnelle dans des géométries plus complexes. / The flow of complex fluids in confined geometries is an issue of interest notably in the field of oil recovery. In this work, the fluids are polymer solutions of high molecular weight and surfactant solutions enable to form wormlike micelles. We study the flow in microfluidic devices made-up with Su-8 resin following a protocol that has been set during this PhD. We carried out experiences of oil drainage in porous media and show that shear-thinning and slippage are propoting the fingering during the invasion. our experiences also show that these solutions can be turbulent at low reynods numbers. These instabilities have consequences on the local rheology in a simple straight channel and are source of additional dissipation in more complex geometries.

Cette thèse traite de la dynamique de cellules sanguines dans la microcirculation. Cette appellation regroupe les deux thématiques de mon travail. La première est l'étude du mouvement de globules rouges soumis à un écoulement de cisaillement. Prenant la suite des travaux réalisés par Manouk Abkarian, Magalie Faivre et Annie Viallat, nous avons étudié le mouvement de cellules dans un flux oscillant et mis en évidence l'apparition de chaos (Dupire J. et al, PRL 104,168101 (2010)). Nous avons ensuite repris l'étude sous écoulement constant pour comprendre les régimes de mouvement encore non étudiés (article accepté à PNAS). Tous ces travaux se basent sur un modèle à forme ellipsoïdale constante (type Keller & Skalak) auquel a été rajouté un terme tenant compte de l'élasticité de la membrane. Pour mieux modéliser la mémoire de forme, nous avons recalculé les équations du modèle en tenant compte d'une nouvelle forme non contrainte du cytosquelette élastique. Elle nous permet entre autres d'ajuster le modèle aux données expérimentales en utilisant des valeurs de viscosité et de module élastique de cisaillement compatibles avec la littérature. Le deuxième partie traite de l'étude du mouvement de globules blancs dans un réseau de canaux microfluidiques. Ce réseau est régulier et possède des dimensions biomimétiques. Nous étudions comment la rhéologie des cellules influe sur leur mouvement à travers le dispositif. Nous montrons que l'entrée des cellules, et donc leur première déformation, peut être utilisée pour obtenir des informations sur leur rhéologie (viscosité, élasticité, tension). / This thesis deals with dynamics of blood cells in microflow. This title regroups two aspects of my work. The first one studies the movement of red blood cells (RBC) under flow. Continuing the work done by M. Abkarian, M. Faivre and A. Viallat, we looked at RBCs in an oscillating shear flow and showed the presence of chaos in the motion (Dupire J. et al, PRL 104,168101 (2010) ). Then we continued the study of RBC under constant flow to understand the regime of motion that were still to elucidate (PNAS, accepted for publication). These works use a ellipsoidal fixed shape model (based on Keller and Skalak's) to which we add an elastic membrane term. To take into account the shape memory, we calculated again the equations of motion considering a new stress-free shape of the elastic cytoskeleton. It allows us to fit the model on the experimental data using viscosity and elasticity coefficient compatible with the litterature. The second part deals with the motion of white blood cell (WBC) in a microfluidic channel network. The device has a regular geometry and has biomimetic shape characteristics matching the human lung mean values. We aim to study how the cell's rheology is related to their motion through the device. We show how the entry of the cell, and thus their first deformation, can be used to obtain information about a single cell rheology (viscosity, elasticity, tension). The motion is then decomposed in 2 phases : a transient regime right after the entrance and a final stationary regime. We study these regimes in terms of cellular deformation and wall friction.

L’étude des fluides complexes présente un grand intérêt de par la richesse des phénomènes que font intervenir leur écoulement. Une étude de rhéologie locale de systèmes de micelles géantes en microcanal droit est effectuée. L’expérience montre que les propriétés du fluide soumis à un fort gradient de contrainte ne peuvent être décrites que par une équation rhéologique comportant des termes non locaux. Nous montrons alors l’influence du système de micelles géantes, du confinement ainsi que de la nature des surfaces du microcanal sur ces effets non locaux. Une étude des phénomènes temporels intervenant dans ces écoulements en microcanaux est alors proposée, ainsi qu’une étude préliminaire concernant les écoulements dans des milieux poreux modèles. / The study of complex fluids flows is of great interest according to the diversity of phenomenon it involves. A study of the local rheology of wormlike micelles flowing in a simple straight microchannel is proposed. Experiments show that the properties of such a fluid undergoing a strong shear stress gradient can only be described by an equation including non local terms. We thereafter show the influence of the wormlike micelles system, of the confinement and of the nature of the microchannel walls on those non local effects. A study of the temporal phenomenon occurring in microfluidic flows of wormlike micelles is then proposed, as well as a preliminary study concerning flows in porous media.