L'analyse de l'organisation à grande échelle des chromosomes, par des approches d'imagerie et de biologie moléculaire, constitue un enjeu important de la biologie. Il est maintenant établi que l'organisation structurelle du génome est un facteur déterminant dans tous les aspects des " transactions " génomiques: transcription, recombinaison, réplication et réparation de l'ADN. Bien que plusieurs modèles aient été proposés pour décrire l'arrangement spatial des chromosomes, les principes physiques qui sous-tendent l'organisation et la dynamique de la chromatine dans le noyau sont encore largement débattus. Le noyau est le compartiment de la cellule dans lequel l'ADN chromosomique est confiné. Cependant, la mesure quantitative de l'influence de la structure nucléaire sur l'organisation du génome est délicate, principalement du fait d'un manque d'outils pour déterminer précisément la taille et la forme du noyau. Cette thèse est organisée en deux parties: le premier axe de mon projet était d'étudier la dynamique et les propriétés physiques de la chromatine dans le noyau de la levure S. cerevisiae. Le deuxième axe visait à développer des techniques pour détecter et quantifier la forme et la taille du noyau avec une grande précision. Dans les cellules de levure en croissance exponentielle, j'ai étudié la dynamique et les propriétés physiques de la chromatine de deux régions génomiques distinctes: les régions codant les ARN ribosomiques regroupés au sein d'un domaine nucléaire, le nucléole, et la chromatine du nucléoplasme. Le mouvement de la chromatine nucléoplasmique peut être modélisé par une dynamique dite de " Rouse ". La dynamique de la chromatine nucléolaire est très différente et son déplacement caractérisé par une loi de puissance d'exposant ~ 0,7. En outre, nous avons comparé le changement de la dynamique de la chromatine nucléoplasmique dans une souche sauvage et une souche porteuse d'un allèle sensible à la température (ts) permettant une inactivation conditionnelle de la transcription par l'ARN polymérase II. Les mouvements chromatiniens sont beaucoup plus importants après inactivation transcriptionnelle que dans la souche témoin. Cependant, les mouvements de la chromatine restent caractérisés par une dynamique dite de " Rouse ". Nous proposons donc un modèle biophysique prenant en compte ces résultats : le modèle de polymère dit "branched-Rouse". Dans la deuxième partie, j'ai développé "NucQuant", une méthode d'analyse d'image permettant la localisation automatique de la position de l'enveloppe nucléaire du noyau de levures. Cet algorithme comprend une correction post-acquisition de l'erreur de mesure due à l'aberration sphérique le long de l'axe Z. "NucQuant" peut être utilisée pour déterminer la géométrie nucléaire dans de grandes populations cellulaires. En combinant " NucQuant " à la technologie microfluidique, nous avons pu estimer avec précision la forme et la taille des noyaux en trois dimensions (3D) au cours du cycle cellulaire. "NucQuant" a également été utilisé pour détecter la distribution des regroupements locaux de complexes de pore nucléaire (NPCs) dans des conditions différentes, et a révélé leur répartition non homogène le long de l'enveloppe nucléaire. En particulier, nous avons pu montrer une distribution particulière sur la région de l'enveloppe en contact avec le nucléole. En conclusion, nous avons étudié les propriétés biophysiques de la chromatine, et proposé un modèle dit "branched Rouse-polymer" pour rendre compte de ces propriétés. De plus, nous avons développé "NucQuant", un algorithme d'analyse d'image permettant de faciliter l'étude de la forme et la taille nucléaire. Ces deux travaux combinés vont permettre l'étude des liens entre la géométrie du noyau et la dynamique de la chromatine. / Chromosome high-order architecture has been increasingly studied over the last decade thanks to technological breakthroughs in imaging and in molecular biology. It is now established that structural organization of the genome is a key determinant in all aspects of genomic transactions. Although several models have been proposed to describe the folding of chromosomes, the physical principles governing their organization are still largely debated. Nucleus is the cell’s compartment in which chromosomal DNA is confined. Geometrical constrains imposed by nuclear confinement are expected to affect high-order chromatin structure. However, the quantitative measurement of the influence of the nuclear structure on the genome organization is unknown, mostly because accurate nuclear shape and size determination is technically challenging. This thesis was organized along two axes: the first aim of my project was to study the dynamics and physical properties of chromatin in the S. cerevisiae yeast nucleus. The second objective I had was to develop techniques to detect and analyze the nuclear 3D geomtry with high accuracy. Ribosomal DNA (rDNA) is the repetitive sequences which clustered in the nucleolus in budding yeast cells. First, I studied the dynamics of non-rDNA and rDNA in exponentially growing yeast cells. The motion of the non-rDNA could be modeled as a two-regime Rouse model. The dynamics of rDNA was very different and could be fitted well with a power law of scaling exponent ~0.7. Furthermore, we compared the dynamics change of non-rDNA in WT strains and temperature sensitive (TS) strains before and after global transcription was actived. The fluctuations of non-rDNA genes after transcriptional inactivation were much higher than in the control strain. The motion of the chromatin was still consistent with the Rouse model. We propose that the chromatin in living cells is best modeled using an alternative Rouse model: the “branched Rouse polymer”. Second, we developed “NucQuant”, an automated fluorescent localization method which accurately interpolates the nuclear envelope (NE) position in a large cell population. This algorithm includes a post-acquisition correction of the measurement bias due to spherical aberration along Z-axis. “NucQuant” can be used to determine the nuclear geometry under different conditions. Combined with microfluidic technology, I could accurately estimate the shape and size of the nuclei in 3D along entire cell cycle. “NucQuant” was also utilized to detect the distribution of nuclear pore complexes (NPCs) clusters under different conditions, and revealed their non-homogeneous distribution. Upon reduction of the nucleolar volume, NPCs are concentrated in the NE flanking the nucleolus, suggesting a physical link between NPCs and the nucleolar content. In conclusion, we have further explored the biophysical properties of the chromatin, and proposed that chromatin in the nucleoplasm can be modeled as "branched Rouse polymers". Moreover, we have developed “NucQuant”, a set of computational tools to facilitate the study of the nuclear shape and size. Further analysis will be required to reveal the links between the nucleus geometry and the chromatin dynamics.

L'étude de la dynamique des circuits neuronaux est primordiale pour la compréhension des troubles neurologiques et psychiatriques. Ces processus, classiquement étudiés in vivo ou ex vivo, peuvent être appréhender in vitro grâce à des micro-technologies. Les technologies microfluidiques offrent la possibilité de reconstruire des réseaux de neurones orientés et de manipuler indépendamment les deux populations neuronales ainsi connectées. Dans cette étude, une caractérisation de la mise en place et de la rythmogénèse des réseaux cortico-striataux a été entreprise par imagerie calcique. Par la suite, nous avons démontré que des modifications chroniques des rythmes pré-synaptiques corticaux conduisaient à des phénomènes d¿excitotoxicité trans-synaptique. L'avancée des recherches a montré que les maladies neurodégénératives et psychiatriques pouvaient partager des points communs, notamment des altérations de la transmission synaptique et de l'activité des réseaux de neurones. Pour évaluer ces effets, une modulation de l'expression de Disrupted-In-Schizophrenia-1 a été réalisée dans nos réseaux cortico-striataux. Une altération de la différenciation des neurones striataux a été objectivée mais sans impact sur l'activité rythmique des réseaux neuronaux. Cependant, les expériences de surexpression ont montré la capacité de DISC-1 à participer à la formation des granules de stress, et à recruter dans celles-ci des protéines impliquées dans la transmission synaptique. Au final, ce projet démontre que les réseaux reconstruits in vitro possèdent des caractéristiques similaires aux réseaux in vivo et permettent l'étude de pathologies du système nerveux central. / Neural circuit dynamics need to be elucidated for understanding neurological and psychiatric disorders such as Parkinson's disease and schizophrenia. While this is classically studied in vivo or ex vivo, micro-technological approaches permit “brain-on-chip” models recapitulating some intrinsic neuronal network properties. In this study, parameters of cortico-striatal connection were monitored. Glutamatergic neuronal network activity was monitored using calcium imaging. Dopamine and Dopaminergic receptor 2 agonist decreased firing frequency and disrupted striato-striatal synchrony. Then, we demonstrated that both acute and chronic alterations of cortical neurons activity led to impairment of striatal survival through trans-synaptic degeneration. In psychiatric diseases, network rhythm alterations do not lead to neuronal death but to behavior disorders. To study how those alterations appeared, we investigated the impact of DISC-1 expression modulation on the establishment of cortico-striatal network and its activity. Alteration of DISC-1 expression led to deficits in striatal differentiation processes and seemingly did not drive network rhythms variation. Interestingly, DISC-1 overexpression experiments showed its aggregation in stress granules concomitant with an ability to recruit others proteins involved in synaptic transmission and neuronal plasticity. These results seem to show that DISC-1 could be involved in degenerative processes and not only in psychiatric diseases. The present data demonstrate that cortico-striatal networks reconstructed in a microfluidic environment present characteristics similar to in vivo cortico-striatal networks.

Introduction Un fluide supercritique (SCF) est une substance dont la température et la pression sont à la fois au-dessus de leurs valeurs essentielles qui sont définies comme le point critique. Le point critique (Pc) désigne le point où les phases gaz, liquide et phase supercritique coexistent et il peut être observé expérimentalement par une opacité critique. Les propriétés des SCFs sont différentes de celles des liquides et des gaz ordinaires. Près de la densité critique, les SCFs affichent des propriétés qui sont dans une certaine mesure intermédiaire entre celles d'un liquide et un gaz. Parmi les fluides supercritiques, le scCO2 a certainement un excellent potentiel de développement pratique en raison de ses faibles conditions critiques (Tc = 31 °C, Pc = 74 bars), et en raison de la nature non-polaire et faible des forces de van der Waals impliquant le CO2. Les espèces hydrophiles (tels que des acides aminés, des protéines et de nombreux catalyseurs) sont souvent insolubles dans le scCO2. De toute évidence, il existe une limitation de l'application de dioxyde de carbone supercritique. Récemment, dans le but de remédier à cet inconvénient, une approche plus efficace consiste à utiliser des tensioactifs appropriés pour produire des micro-émulsions eau/CO2 ou micelles inverses. Consan et Smith ont testé la solubilité de plus de 130 agents tensioactifs disponibles dans le commerce dans le scCO2 à 50 °C et de 10 à 50 MPa. Tous sont très peu solubles ou seulement légèrement solubles dans le scCO2, de sorte qu'ils ne pouvaient pas être utilisés comme surfactants pour ce milieu. Toutefois, certains matériaux non polaires de bas poids moléculaire peuvent se dissoudre dans le scCO2, et sont utilisés avec succès pour divers procédés industriels tels que l'extraction par fluide supercritique, la chromatographie en fluide supercritique et en tant que milieu réactionnel. / Supercritical fluid is a substance whose temperature and pressure are both above their critical values which are defined as the critical point. Similarly to the triple point which defines the zero-variance point for the solid, gas and liquid states, the critical point (Pc) denotes the point where the gas, liquid and supercritical phases coexist and it can be experimentally observed through a critical opacity. Properties of SCFs are different from those of ordinary liquids and gases. Close to the critical density, SCFs display properties that are to some extent intermediate between those of a liquid and a gas. For example, a SCF may be relatively dense and dissolve certain solids while being miscible with permanent gases and exhibiting high diffusivity and low viscosity. In addition, SCFs are highly compressible and the density (and therefore solvent properties) can be "tuned" over a wide range by varying pressures and temperatures. Among supercritical fluids, scCO2 certainly has excellent potential for practical development not only because of its low critical conditions (Tc = 31 °C, Pc = 74 bar), but also due to some other factors such as: CO2 is non-toxic. Its threshold air concentration for working conditions is as high as 5000 ppm. By means of comparison, a daily exposition to 10 ppm of chloroform is considered hazardous. CO2 is non-flammable. This constitutes another very competitive advantage compared to halogenated solvents. Its high pressure vapour-superior to 60 bar-allows its complete removal from processed materials. Thus, CO2 is one of the two solvents fully approved by the Food and Drug Administration (FDA), along with water. CO2 has a low reactivity and is inert towards oxidation. It is also a non-transferring species for radicals. Heat and mass transfer are significantly enhanced in scCO2 due to its properties of low viscosity and densities. Its low surface tension allows wetting structured materials better than liquids usually do. However, besides the cost of high-pressure vessels, CO2 still has intrinsic physical disadvantages: A low cohesive energy density which confers a weak solvent strength to CO2. CO2 is a Lewis acid through its electron-deficient carbon. It thus reacts reversibly with strong Lewis bases such as primary and secondary amines. But this can be turned into an advantageous property for the capture of CO2 by amine-based solvents and surfactants, polymers and solvents that possess CO2-responsive moieties such as guanidines and amidines. CO2 is a poison for Ziegler-Natta and palladium-based catalysts due to the formation of CO. Due to the non-polar and weak Van der Waals forces of CO2, most lipophilic and hydrophilic species (such as amino acids, proteins and many catalysts) are often insoluble in scCO2. Obviously, it is a limitation for the application of supercritical carbon dioxide. Recently, in order to overcome this disadvantage, the most effective approach is to use suitable surfactants to produce water-in-CO2 microemulsions or reverse micelles. Consan and Smith tested the solubility of over 130 commercially available surfactants in scCO2 at 50 °C and 10-50 MPa. All of them were rarely soluble or only slightly soluble in scCO2, so they could not be employed as surfactants in scCO2.

Ce travail expérimental porte sur l'étude du comportement colloïdale aux interfaces de nématiques. Dans un premier temps, nous détaillons la séquence de phase observée par des billes de silice à ancrage homéotrope fort piégés à l'interface air-nématique. En fonction de leur densité ainsi que l'épaisseur du film, les colloïdes forment différentes structures spontanément. A l'aide des pinces optiques, nous mesurons le potentiel de paire et nous discutons les rôles respectifs des forces capillaires et élastiques. Dans un second temps, nous étudions le comportement des colloïdes sur des interfaces nématiquesplus complexes. En contrôlant la géométrie des interfaces et la densité des particules piégées, à l'aide de la technique de microfluidique, nous étudions le comportement colloïdal à la surface des coques nématiques fines. La compétition entre les conditions d'ancrage aux interfaces, l'élasticité du CL, les défauts et les densités des fluides est à l'origine de la formation de nouvelles configurations topologiques. Dans cette partie, nous discutons le rôle des colloïdes dans la formation de ces structures. / The aim of this experimental work is to study the behavior of colloids at nematicinterfaces. Initially, we examine the behavior of spherical solid particles with stronghomeotropic anchoring at an air-nematic interface and we detail the phase behaviorof beads. Depending on their area density, the nematic thickness and the anchoring,colloids spontanously form various structures. Using optical tweezers, we determine thepair potential and we discuss the different roles of capillary and elastic forces. Second,we report the behavior of silica beads at more complex NLC interfaces. By controllingthe geometry of the interfaces and the colloids density, with microfluidic techniques,we study the colloidal behavior at the surface of a thin nematic shell. The competitionbetween anchoring conditions at interfaces, nematic elsticity, topological defects anddensities of fluids is responsable of the formation of new topological configurations. Inthis part we discuss the role of colloids in the formation of these structures.

Les propriétés spécifiques des milieux fluides supercritiques sont exploitées depuis denombreuses années dans les domaines de la séparation, de la chimie et des matériaux.Aujourd’hui, les activités de recherche se focalisent vers une meilleure compréhension et unmeilleur contrôle des processus thermodynamiques, physiques et chimiques mis en jeu, ce quinous a naturellement amené à développer la microfluidique supercritique. C’est dans cecontexte que s’inscrivent ces travaux de thèse ayant pour objet le développement et l’utilisationde l’outil microfluidique pour l’étude de la réactivité chimique et de la germination-croissance enmilieux fluides supercritiques.Notre premier objectif a concerné le développement de l’outil microfluidique supercritique etde microsystèmes résistants aux conditions de température et de pression. Quelquescaractéristiques physiques associées à ces dispositifs sont proposées de manière à observerclairement les avantages attendus du couplage de la microfluidique et des fluides supercritiques.Nous avons ensuite validé l’apport de la microfluidique supercritique sur la réactivité chimiqueet la chimie des matériaux via, d’une part, l’étude de l’oxydation hydrothermale du méthanol et,d’autre part, l’élaboration de nanocristaux de ZnO. Les propriétés de photoluminescence de cesnanocristaux de ZnO ont été caractérisées; nous avons montré que l’outil microfluidiquesupercritique permet de synthétiser des nanocristaux de ZnO avec une luminescenceexcitonique. / The unique properties of supercritical fluids (SCFs) have been widely used since the 1980’sin a wide range of applications including separation, chemistry and materials synthesis.Currently, the research activities are focused toward a better understanding and tailoring ofthermodynamical, physical and chemical phenomena involved in SCFs processes. In thiscontext, this is why we have chosen to develop supercritical microfluidics in the frame of thisPhD work, which aims at developing and using microfluidic tools in order to study the chemicalreactivity and the nucleation-growth in supercritical fluids.First of all, our strategy aimed at fabricating microsystems which could handle to the SCFsoperating conditions (high pressure and high temperature). Then, we have studied somephysical characteristics of these devices and in particular we determined the expectedadvantages associated with the combination of microfluidic tools and supercritical fluids.Afterwards, we have demonstrated the benefits of the supercritical microfluidics to materialssynthesis and chemical reactivity through the hydrothermal oxidation of methanol and thesynthesis of ZnO nanocrystals. This last point was also the subject of a photoluminescencestudy, demonstrating that supercritical microfluidics tools can be used as “precision synthesis”reactors.

Ma thèse comporte deux grandes parties, la première en biophysique et la seconde en science de l’éducation. La première partie présente des travaux à la frontière entre neurobiologie et microfluidique. Le but de ces travaux est de pouvoir reconstruire et étudier des réseaux complexes de neurones in vitro avec une topologie de connections synaptiques bien contrôlées. Une série de micro-structures mécanique et/ou chimique ont été étudiées pour leur capacité à (i) positionner les corps cellulaires des neurones, (ii) orienter la pousse des neurites, et (iii) différencier les axones des dendrites. Un premier réseau comportant trois populations de neurones connectées en série a été reconstruit à l’intérieur d’un circuit microfluidique. Ce réseau qui mime la voie perforante de l’hippocampe pourra être exploité pour des études en physiologie ou en neuro-dégénerescence. Une méthode entièrement optique de stimulation et d’observation de l’activité neuronal a été mise au point. Elle ouvre de nouvelles portes pour étudier des processus cognitifs complexes dans des systèmes simplifiés in vitro. La seconde partie de mon travail a permis le développement et l’étude de jeux pédagogiques pour l’apprentissage de la chimie en licence. Ces jeux, qui peuvent selon les cas remplacer un cours ou une séance d’exercices, donnent des résultats prometteurs pour l’aide à la compréhension et à la mémorisation de concepts tels que la géométrie des molécules ou la réactivité entre molécules organiques. / My PhD is divided in two parts one on biophysic of neuronal networks and one on science of education. The first part present results at the frontier between neurobiology and microfluidic. The overarching goal of this work was to develop tools and methods to build and study complex neuronal networks controlling the topology of synaptic connexions. Micro-patterning techniques with mechanical and/or chemical constraints were explored regarding their capacity to (i) position cell bodies, (ii) orient neurite outgrowth and (iii) polarize neurons. For the first time, a network comprising three different neuronal populations connected in specified directions was reconstructed in a microfluidic device. This network that mimics the perforant pathway of the hippocampus can be used to study physiological rythms or neurodegenerative processes including Alzheimer’s disease. A novel and fully optical method is presented to stimulate and record neuronal activity in vitro. It opens new routes to study complex cognitive processes in simplified in vitro systems. The second part of my work present the development and assessment of educational games in chemistry at the undergraduate level. These games that can either be used to replace courses or exercises, seem promising to improve the understanding and memorization of chemistry concepts og geometries of molecules and organic reactivity.

Cette thèse porte sur la mise en place et le développement d’une approche expérimentale pour l’étude de la dynamique spatio-temporelle de réseaux de réactions à base d’ADN. Nos résultats démontrent la capacité des réseaux d’ADN à se spatialiser sous la forme d’ondes progressives. Nous avons également pu obtenir des motifs stationnaires à base d’ADN et d’assemblages de billes. Ce travail contribue donc à la conception de motifs spatio-temporels de réactions chimiques et de matériaux par le biais de réseaux réactionnels biochimiques programmables. Nous apportons également de nouvelles données sur l’émergence d’ordre spatio-temporel à partir de processus de réaction-diffusion. De ce fait, cette étude contribue à une meilleure compréhension des principes fondamentaux qui régissent l’apparition d’une auto-organisation moléculaire dans un système chimique hors-équilibre. De plus, la combinaison de réseaux synthétiques d’ADN, du contrôle du coefficient de diffusion de plusieurs espèces d’ADN et de la micro-fluidique peut donner lieu à des motifs spatiaux stables, comme par exemple, les fameuses structures de Turing, ce qui tend à confirmer le rôle de celles-ci dans la morphogénèse. / This PhD work is devoted to developing an experimental framework to investigate chemical spatiotemporal organization through mechanisms that could be at play during pattern formation in development. We introduce new tools to increase the versatility of DNA-based networks as pattern-forming systems. The emergence of organization in living systems is a longstanding fundamental question in biology. The two most influential ideas in developmental biology used to explain chemical pattern formation are Wolpert's positional information and Turing's reaction-diffusion self-organization. In the case of positional information, the pattern emerges from a pre-existing morphogen gradient across space that provides positional values as in a coordinate system. Whereas, the Turing mechanism relies on self-organization by driving a system of an initially homogeneous distribution of chemicals into an inhomogeneous pattern of concentration by a process that involves solely reaction and diffusion. Although numerical simulations and mathematical analysis corroborate the incredible potential of reaction-diffusion mechanisms to generate patterns, their experimental implementation is not trivial. And despite of the exceptional achievements in pattern formation with Belousov–Zhabotinsky systems, these are difficult to engineer, thus limiting their experimental implementation to few available mechanisms. In order to engineer reaction-diffusion systems that display spatiotemporal dynamics the following three key elements must be controlled: (i) the topology of the network (how reactions are linked to each other, i.e. in a positive or negative feedback manner), (ii) the reaction rates and (iii) the diffusion coefficients. Recently, using nucleic acids as a substrate to make programmable dynamic chemical systems together with the lessons from synthetic biology and DNA nanotechnology has appeared as an attractive approach due to the simplicity to control reaction rates and network topology by the sequence. Our experimental framework is based on the PEN-DNA toolbox, which involves DNA hybridization and enzymatic reactions that can be maintained out of equilibrium in a closed system for long periods of time. The programmability and biocompatibility of the PEN-DNA toolbox open new perspectives for the engineering of the reaction-diffusion chemical synthesis, in particular in two directions. Firstly, to study biologically-inspired pattern-forming mechanisms in simplified, yet relevant, experimental conditions. Secondly to build new materials that would self-build by a process inspired from embryo morphogenesis. We worked towards the goal of meeting the two requirements of Turing patterning, transferring chemical spatiotemporal behavior into material patterns, and imposing boundary conditions to spatiotemporal patterns. Therefore, the structure of this document is divided into four specific objectives resulting in four chapters. In chapter 1 we worked on testing a DNA-based reaction network with an inhibitor-activator topology. In chapter 2 we focused on developing a strategy to tune the diffusion coefficient of activator DNA strands. In chapter 3 we explored how chemical patterns determine the shape of a material. Finally, in chapter 4 we addressed the issue of controlling the geometry over a DNA-based reaction-diffusion system. Overall, we have expanded the number of available tools to study chemical and material pattern formation and advance towards Turing patterns with DNA.

Cette thèse vise à contribuer à la caractérisation, à l’aide de modélisation et d’expérience, de la dynamique de bulle en microfluidique. Deux régimes d’écoulements rencontrés en microfluidique sont étudiés, le régime bubbly flow et le régime Taylor flow. En particulier, la première partie de cette thèse traite de la dynamique d’un écoulement de type bubbly flow dans un microcanal rectiligne de section circulaire en présence de surfactants. Le code de calcul numérique JADIM est utilisé. Une méthode numérique permettant, d’une part, de simuler le transport de surfactants le long d’une interface qui bouge et qui se déforme, et d’autre part, de simuler l’effet Marangoni crée par une distribution inhomogène de ces surfactants sur cette interface, est implémentée et validée. Les simulations effectuées avec ce code concernant la dynamique d’un écoulement de type bubbly flow montrent par exemple que, le confinement créé par les parois du microcanal résulte en une distribution des surfactants sur la surface des bulles qui est fondamentalement différente d’une distribution rencontrée dans le cas d’une bulle qui se déplace dans un liquide de dimension infinie. En effet, les surfactants s’accumulent en des locations spécifiques sur la surface des bulles et créent des forces de Marangoni locale, qui influencent drastiquement la dynamique des bulles. Dans certains cas, les surfactants peuvent même engendrer une désintégration de la bulle, un mécanisme qui est rationalisé par un bilan de force à l’arrière de la bulle. La méthode numérique implémentée dans cette thèse est également utilisée pour un problème pratique concernant la production artisanale de Mezcal, une boisson alcoolisée produite au Méxique. La seconde partie de cette thèse traite de la dynamique d’un écoulement de type Taylor flow, à l’aide d’expérience et de modélisation. Une méthode expérimentale permettant de mesurer l’épaisseur du film de lubrification qui se forme entre une bulle de Taylor et les parois du microcanal est développée. Cette méthode requiert uniquement une image « brightfield » de la bulle. En plus de la mesure de l'epaisseur du film de lubrification, la méthode permet aussi de mesurer la profondeur du microcannal. Enfin, l'utilisation de la méthode proposée couplée à la mesure de la vitesse de translation de la bulle permet de déduire la tension de surface de celle-ci. Dans le dernier chapitre de cette thèse, l'influence des effets gravitaires sur la dynamique des écoulements de Taylor est quantifiée. Quoique souvent négligée en microfluidique, il est montré que les effets gravitaires peuvent avoir un impact significatif sur la dynamique des écoulements de Taylor. Ces impacts sont quantifiés à l'aide d'expériences et de modélisations. Ce travail a été réalisé à la Princeton University avec Professeur Howard A. Stone pendant un séjour de 7 mois. / This thesis aims at contributing to the characterization of the dynamics of bubbles in microfluidics through modeling and experiments. Two flow regimes encountered in microfluidics are studied, namely, the bubbly flow regime and the Taylor flow regime (or slug flow). In particular, the first part of this thesis focuses on the dynamics of a bubbly flow inside a horizontal, cylindrical microchannel in the presence of surfactants using numerical simulations. A numerical method allowing to simulate the transport of surfactants along a moving and deforming interface and the Marangoni stresses created by an inhomogeneous distribution of these surfactants on this interface is implemented in the Level set module of the research code. The simulations performed with this code regarding the dynamics of a bubbly flow give insights into the complexity of the coupling of the different phenomena controlling the dynamics of the studied system. Fo example it shows that the confinement imposed by the microchannel walls results in a significantly different distribution of surfactants on the bubble surface, when compared to a bubble rising in a liquid of infinite extent. Indeed, surfactants accumulate on specific locations on the bubble surface, and create local Marangoni stresses, that drastically influence the dynamics of the bubble. In some cases, the presence of surfactants can even cause the bubble to burst, a mechanism that is rationalized through a normal stress balance at the back of the bubble. The numerical method implemented in this thesis is also used for a practical problem, regarding the artisanal production of Mezcal, an alcoholic beverage from Mexico. The second part of the thesis deals with the dynamics of a Taylor flow regime, through experiments and analytical modeling. An experimental technique that allows to measure the thickness of the lubrication film forming between a pancake-like bubble and the microchannel wall is developed. The method requires only a single instantaneous bright-field image of a pancake-like bubble translating inside a microchannel. In addition to measuring the thickness of the lubrication film, the method also allows to measure the depth of a microchannel. Using the proposed method together with the measurment of the bubble velocity allows to infer the surface tension of the interface between the liquid and the gas. In the last chapter of this thesis, the effect of buoyancy on the dynamics of a Taylor flow is quantified. Though often neglected in microfluidics, it is shown that buoyancy effects can have a significant impact on the thickness of the lubrication film and consequently on the dynamics of the Taylor flow. These effects are quantified using experiments and analytical modeling. This work was performed at Princeton University with Professor Howard A. Stone during a seven month stay.

Le formaldéhyde (HCHO) est un polluant majeur de l’air intérieur. L’objectif de cette thèse est de réaliser les avancées scientifiques et technologiques nécessaires à l’obtention d’une méthode analytique basée sur un dispositif microfluidique de mesure du formaldéhyde dans l’air associant précision, sélectivité, rapidité d’analyse avec pour objectif majeur une autonomie suffisante sur de longues durées, typiquement un mois. Le principe de la méthode reposait initialement sur trois étapes clés, à savoir le piégeage du formaldéhyde gazeux en solution, la réaction du formaldéhyde avec un agent dérivatif, puis la détection du produit de dérivation par colorimétrie ou fluorimétrie. La méthode a finalement évolué vers seulement deux étapes distinctes grâce à l’utilisation d’un dispositif microfluidique innovant dans lequel le piégeage et la réaction ont lieu simultanément. L’étude des performances analytiques du dispositif a permis de valider la méthode développée pendant cette thèse. / Formaldehyde (HCHO) is a major pollutant in indoor air. The objective of this work is to realize the scientific and technological advances required to obtain an analytical method based on a microfluidic device to measure air formaldehyde combining precision, selectivity, analysis speed with for major objective a sufficient autonomy on a long time, typically one month. The principle of the method was initially based on three key steps, the gaseous formaldehyde uptake in solution, the formaldehyde derivatization reaction, then the detection of reaction product by colorimetry or fluorimetry. The method has finally advanced toward only two definite steps thanks to the use of an innovative microfluidic device in which uptake and reaction take place simultaneously. The study of analytical performances of the device allows to validate the method developedduring this work.

Les conditions du corps humain ne sont pas reproduites fidèlement par la culture cellulaire traditionnelle en 2D. Dans cette thèse, des cultures cellulaires 3D sont réalisées dans une plateforme microfluidique hautement intégrée. Des cellules mammifères adhérentes sont encapsulées dans des gouttes immobilisées dans un tableau de pièges capillaires à haute densité. Dans chaque goutte, les cellules se réorganisent pour former un unique microtissu 3D et fonctionnel appelé sphéroïde. L'utilisation d'un hydrogel permet d'alonger le temps de culture et de perfuser le tableau avec des solutions aqueuses, par exemple pour de l'immuno-cyto-chimie. Un unique sphéroïde, viable, peut aussi être extrait de cette puce microfluidique. Des données quantitatives sont extraites à haut débit au niveau de la population, du sphéroïde (dizaines de miliers de sphéroïdes) et au niveau cellulaire emph{in situ} (centaines de miliers de cellules) grâce à de l'imagerie de fluorescence et au dévelopement d'un code d'analyse d'image. Une première preuve de concept a été obtenue en démontrant la viabilité, la prolifération et la fonctionalité de sphéroïdes d'hépatocytes et en les corrélant à des paramètres morphologiques. Ensuite, des aggrégats de cellules souches mésenchymales ont été produits et les hétérogénéités spatiales dans l'expression de protéines impliquées dans leurs propriétés thérapeutiques ont été étudiées. Enfin, cette technologie a été encore dévelopée pour permettre d'appliquer des conditions biochimiques différentes dans chaque goutte. La production et la culture de sphéroïdes dans cette plateforme microfluidique peut mener à des dévelopements importants dans beaucoup de domaines tels que l'analyse de la toxicité des médicaments, le criblage de médicaments à haut débit, le traitement personnalisé du cancer, l'ingénierie tissulaire ou la modélisation de maladies. / Conventional 2D cell culture fails to reproduce emph{in vivo} conditions. In this PhD thesis, 3D cell culture is implemented into a highly integrated microfluidic platform. Adherent mammalian cells are encapsulated in droplets immobilized on a high density array of capillary traps called anchors. In each droplet, the cells reorganize into a single functional 3D microtissue called spheroid. The use of an hydrogel allows to extend the culturing time in microdroplets and to perfuse the array with aqueous solutions, for instance for immuno-cyto-chemistry. A single and viable spheroid can also be selectively retrieved from the microfluidic chip. High throughput and quantitative data is extracted at the population, spheroid (tens of thousands of spheroids) and cellular level emph{in situ} (hundreds of thousands of cells) thanks to fluorescent imaging and a custom image analysis software. As a first proof of concept, the viability, proliferation and functionality of hp sh s were demonstrated and correlated with morphological parameters. Drug toxicity experiments were also performed on this liver model. Then, human mesenchymal stem cell aggregates were produced and the spatial heterogeneities of the expression of proteins involved in their therapeutic properties were investigated. Finally, this technology was further developed to enable applying different biochemical conditions in each droplet. The production and culture of spheroids in this microfluidic platform could lead to major advances in many fields such as drug toxicity, high throughput drug screening, personalized cancer treatment, tissue engineering or disease modeling.