La dynamique de bouchons est étudiée expérimentalement dans des microcanaux de section rectangulaire fabriquées selon le procédé de lithographie molle. Les bouchons sont déplacés par de l'air introduit à pression constante et l'écoulement est enregistré par vidéomicroscopie. Deux géométries sont étudiées : le canal droit et la bifurcation en T. Dans le premier cas, on détermine le saut de pression dynamique aux interfaces de bouchons de liquide mouillant ou partiellement mouillant en calculant au préalable la dissipation visqueuse dans le volume des bouchons. Les résultats montrent des similarités avec les études réalisées en tube cylindrique : le saut de pression aux interfaces d'un bouchon de liquide mouillant suit une loi de puissance faisant intervenir le nombre capillaire à la puissance 2/3 tandis qu'en mouillage partiel, cette dépendance est plus complexe notamment en raison d'un seuil de pression lié à l'hystérésis des angles de contact. Le comportement de bouchons de liquide mouillant est ensuite étudié dans une bifurcation en T. Trois cas sont observés : la division, l'éclatement ou encore le blocage du bouchon à l'entrée du T. La pression de déblocage ainsi que le critère éclatement-division sont modélisés et discutés. Ce travail de thèse aboutit donc, pour l'écoulement diphasique considéré, aux lois de transport dans un microcanal droit ainsi qu'à la fonction de transfert à une bifurcation dans le cas du mouillage total. Combinés, ces résultats pourront être utiles à la modélisation du transport de gouttes dans un réseau de microcanaux à section rectangulaire.

Actuellement une forte demande existe pour des dispositifs de détection chimique et biochimique en temps réel, miniatures, automatisés, bon marchés, et tout particulièrement pour l'étude des interactions biomoléculaires. Les capteurs à fibre optique basés sur la résonance des plasmons de surface (FO-SPR) peuvent répondre à cette attente sous réserve que leur fiabilité soit améliorée. En effet, pour rendre ces capteurs performants et compétitifs, il est nécessaire d'améliorer leur sensibilité et leur limite de détection. L'objectif de notre travail a consisté à optimiser la performance du capteur à fibre optique basé sur la résonance des plasmons de surface. Pour atteindre cet objectif, nous avons réalisé et étudié d'une part des fibres capteurs réalisées au laboratoire, et d'autre part, nous avons développé un modèle numérique qui nous a permis de déterminer les valeurs optimales des paramètres géométriques et physiques ajustables du capteur. Ainsi, des caractérisations de la surface métallique ont été réalisées afin d'en déterminer la rugosité et les permittivités diélectriques complexes puis d'en étudier l'influence sur la réponse du capteur FO-SPR. Finalement, le capteur a été utilisé dans une cellule microfluidique ce qui nous a permis de suivre en temps réel l'évolution de la réponse SPR en fonction de la cinétique des réactions de surface. L'implémentation de notre modèle numérique avec des paramètres cinétiques issus des mesures expérimentales met en évidence la capacité du capteur SPR à fibre optique à répondre aux attentes dans le domaine de la détection biochimique.

Ce travail est consacré à la modélisation d'écoulements de deux fluides immiscibles et son application en microfluidique. Pour cela, nous mettons en oeuvre des méthodes Level Set actuelles permettant un suivi précis de l'interface, dont le mouvement est induit par des champs de vitesse vérifiant les équations de Stokes ou de Navier-Stokes munies d'un terme de tension de surface.<br />Dans une première partie, nous abordons la problématique du suivi d'interface et présentons en détail les composantes de la méthode Level Set. En particulier, nous détaillons les approches ENO et WENO pour discrétiser les équations de Hamilton-Jacobi ainsi que les diverses méthodes existantes de redistanciation.<br />Dans la deuxième partie, nous traitons de l'analyse et de la résolution numérique des écoulements bifluides incompressibles pilotés par la tension de surface. Après avoir décrit les modèles mathématiques ainsi que leurs discrétisations et solveurs, nous apportons une contribution nouvelle en dérivant théoriquement une condition de stabilité valable pour les nombres de Reynolds faibles à modérés, caractéristiques des configurations microfluidiques. De plus, on introduit une méthode de décomposition de l'écoulement qui permet de diminuer les temps de simulation.<br />Enfin, la troisième partie est consacrée à l'application des outils évoqués précédemment pour simuler la dynamique de gouttes dans des microcanaux. Nous présentons les résultats numériques obtenus avec d'une part, un code bidimensionnel cartésien et d'autre part, avec un code tridimensionnel axisymétrique que nous avons entièrement développés. Une bonne adéquation est obtenue relativement aux expériences microfluidiques du laboratoire LOF (Rhodia - CNRS). En particulier, avec nos simulations, nous mettons à jour différentes dynamiques de mélange au sein des gouttes.

Les vésicules sont des bicouches lipidiques refermées sur elles même, séparant ainsi un volume intérieur du milieu extérieur. Elles sont donc utilisées dans de nombreuses applications nécessitant l'encapsulation d'une substance mais également pour la construction d'objets biomimétiques. Une nouvelle méthode simple, appelée continuous Droplet Interface Crossing Encapsulation (cDICE), a été développée pour la fabrication de vésicules de taille et de contenu finement contrôlés. Ainsi, des vésicules dans la gamme de taille 5-70 μm de diamètre et encapsulant des solutions aussi variées que des colloïdes micrométriques, protéines, cellules, solutions visqueuses (40 mPas) ou solutions salines (>300 mosm), sont produites de façon continue et à fréquence élevée (∼ 150 Hz). Des vésicules " drépanocytaires " ont également pu être produites grace à cette méthode. La drépanocytose ou anémie falciforme est une maladie génétique dont la principale conséquence est la vaso-occlusion de la circulation sanguine. La conception de canaux microfluidiques se rapprochant au mieux des conditions physiologiques (vitesse d'écoulement, concentration d'oxygène, hématocrite...) de la microcirculation a permis une approche biomimétique de la vaso-occlusion, mettant en évidence l'importance de paramètres physiques tels que la géométrie de l'écoulement, le taux d'oxygène, la présence de globules blancs et l'hémoglobine libre en solution sur la formation d'agrégats cellulaires qui pourraient jouer un rôle dans la vaso-occlusion.

Des mesures optiques en microcanaux permettent d'obtenir de nouvelles informations sur différents fluides complexes, en lien avec des procédés de récupération assistée du pétrole. Nos expériences reposent sur une méthode de microfabrication innovante en colle photoréticulable résistante en pression. Nous concevons un laboratoire sur puce pour l'étude de la dégradation des polymères sous écoulement. Intégrant une zone d'écoulement violent et un viscosimètre dans un même microsystème, nous caractérisons l'influence de la masse, de la concentration, de la chimie et de la géométrie. Par ailleurs, un système de vélocimétrie en microcanal nous permet de caractériser la rhéologie d'une phase hors équilibre de solutions semi-diluées de micelles géantes sur plus d'une décade de taux de cisaillements, mesurant indépendamment le glissement. Par des cartographies tridimensionnelles de cet écoulement, nous étudions ensuite l'apparition de structurations spécifiques à ces fluides à bandes de cisaillement: un effet de confinement amplifié et une instabilité d'interface, confrontés à un modèle théorique avec un accord quantitatif.

La présence de polymères flexibles de grande masse molaire modifie de manière spectaculaire les écoulements de solution même en régime dilué. Il y a un couplage fortement non linéaire entre le champ de vitesse de la solution et la conformation microscopique des chaînes de polymères. Ce couplage est le plus efficace en écoulement élongationnel. Cette thèse porte sur l'étude de ce couplage, et sur les moyens de corréler les contraintes élongationnelles macroscopiques avec l'observation de la microstructure. Le détachement d'une goutte de solutions d'ADN (un biopolymère pouvant être visualisé) en solvant visqueux est ralenti par la formation d'un filament. La dynamique d'amincissement du filament, observée avec une caméra rapide, se déroule à taux d'élongation constant. Cela permet la mesure de la viscosité élongationnelle très élevée de ces solutions. Cette mesure a lieu dans l'air et dans un fluide d'immersion suffisamment peu visqueux. Il est possible de visualiser l'ADN par microscopie de fluorescence, mais pas au sein d'un filament cylindrique entouré d'air. On immerge l'échantillon pour adapter l'indice et faire disparaitre l'interface courbe. Plusieurs méthodes de correction (notamment la réalisation d'un objectif de microscope spécifique) sont étudiées pour pallier aux très fortes aberrations optiques qui empêchent l'observation de l'ADN. De plus, les effets de la transition de déroulement et de la viscosité élongationnelle sont aussi étudiés au sein d'écoulements microfluidiques à dominante élongationnelle.

Ce travail de thèse présente la conception et la réalisation de dispositifs microfluidiques en PDMS (Polydiméthylsiloxane) pour l'intégration d'analyses biologiques. Dans un premier temps, des outils microfluidiques sont construits et améliorés dans ce but: une méthode de pompage passif et de mise en oeuvre du PDMS a fait l'objet d'un dépôt de brevet. Les micro-pompes, éléments clés d'une intégration poussée, sont étudiées expérimentalement et théoriquement, menant à un modèle prédictif basé sur une équivalence électrique. Ce travail a été publié dans \textit{Journal of Applied Physics}. La dispersion hydrodynamique, diluant les échantillons lors de leur transport est caractérisée. De cette analyse, une nouvelle méthode de génération de gradients de concentration est conçue et testée expérimentalement. Fort de ces développements, une plate-forme microfluidique originale intégrant des puces à ADN est fabriquée en une version de laboratoire et une version portable. Grâce à ce dispositif, les connaissances de la réaction d'hybridation sur une surface, base des puces à ADN, sont complétées par des mesures comparées de courbes de fusion et un modèle de couplage réaction-diffusion-advection est étendu expérimentalement au cas des puces à ADN. Finalement dans le cadre d'une collaboration avec l'IGH (Institut de Génétique Humaine) de Montpellier, deux méthodes originales de dosage d'allèles pour la trisomie 21 sont testées et des expériences sur des échantillons biologiques sont en cours de préparation. En conclusion, cette thèse a donné lieu au dépôt d'un brevet et à la publication deux articles. Elle aura abouti à la mise en oeuvre de méthodes et approches originales basées sur la technologie microfluidique, appliquées à différents domaines (dispersion, pompage, puce à ADN).

Le travail de thèse présenté dans ce manuscrit s'inscrit dans une dynamique d'intégration de matériaux non conventionnels en systèmes microfluidiques. Il vise à démontrer le potentiel du cPDMS, un matériau nanocomposite formé d'une matrice de polydiméthylsiloxane rendu conducteur par l'ajout de nanoparticules de carbone. Compatible avec les procédés technologiques habituels, le cPDMS peut être structuré dans une large gamme d'épaisseurs et de géométries mais présente surtout l'avantage de pouvoir être collé irréversiblement sur verre, PDMS et silicium. Son intégration est parfaitement étanche, rapide à mettre en oeuvre, et très économique. La première partie du manuscrit est consacrée à la caractérisation de ce matériau. Ses propriétés électriques et de surface, pouvant être critiques pour une utilisation en microfluidique, ont été particulièrement étudiées. Les champs électriques offrant de nombreuses possibilités pour réaliser des fonctions clés en microfluidique (détection, séparation, manipulation de fluides ou de particules), nous avons choisi d'évaluer l'intérêt d'électrodes de cPDMS dans deux types d'applications. Les aspects de détection ont d'abord été mis en évidence à l'aide de mesures électrochimiques. Cette méthode a permis à la fois de caractériser la surface du cPDMS tout en validant son utilisation potentielle pour des applications d'analyses électrochimiques. Dans la dernière partie du manuscrit, le matériau a été testé pour la manipulation de particules à travers l'observation de différents phénomènes électrocinétiques. Ceux-ci ont conduit à la mise au point de dispositifs microfluidiques (intégrant des lectrodes de cPDMS) dédiés à la lyse et à l'électrofusion de cellules.

Nous présentons deux dispositifs microfluidiques, aussi appelés Laboratoires-sur-Puces, fondés sur deux technologies : la microfluidique et les billes magnétiques. Un premier laboratoire-sur-puce est dédié à la recherche de cellules tumorales circulantes. Les billes magnétiques sont auto-organisées sur un dépôt magnétique de ferrofluide obtenu par tamponnage moléculaire et les cellules sont séparées sur la base de protéines de membranes à leur surface. Les expériences menées établissent les performances de rendement et de pureté de la séparation cellulaire. On démontre que les cellules capturées peuvent être remises en culture. Comme validation clinique, ce système a été utilisé pour le typage de cellules tumorales circulantes lymphoïdes issues de leucémies et de lymphomes à l'aide de microscopie confocale à haute résolution. Un deuxième laboratoire-sur-puce a été utilisé pour la recherche de bactéries infectieuses. Un module de concentration d'ADN a été mis en place à l'aide de billes magnétiques organisées en réseau très dense de billes. L'ADN est retenu par sa charge sur les billes à faible pH et élué par augmentation de pH. La preuve de concept du système est apportée.

La microfluidique est une technologie récente dont le principal avantage est de pouvoir miniaturiser le phénomène étudié, quelque soit le domaine (énergétique, chimie, biologie...). Cependant les techniques de mesures (vitesses, températures...) au sein des systèmes microfluidiques sont souvent complexes à mettre en oeuvre. C'est pourquoi il est important de mettre en place un nouvel outil de mesure efficace et fournissant des informations à l'échelle de ces microsystèmes. La Thermographie InfraRouge (TIR) est un moyen puissant de mesurer des champs de températures, qui peuvent ensuite être utilisés pour estimer des propriétés thermo-physiques. Le premier objectif de ce travail de thèse est donc de développer un corps de méthodes expérimentales et numériques couplant la TIR et la microfluidique dans le but d'estimer des paramètres fluidiques et thermiques. Une procédure expérimentale originale ainsi que des méthodes inverses à un paramètre ont été développées. Toutes les méthodes développées ont été testées et validées sur des champs de températures simulés numériquement. Les mesures expérimentales ont permis de cartographier et d'estimer quantitativement des paramètres tels que la vitesse, la diffusivité thermique et des sources de chaleur. Le deuxième objectif est de tester les méthodes développées sur des applications microfluidiques concrètes. Ces tests ont aboutis à d'excellents résultats tels que la mesure d'enthalpie de réaction chimique en microréacteurs, ainsi que l'étude de la cristallisation de l'eau en microcanal.