Dans les dernières 15 ans, la recherche biomédicale a exploré en profondeur l’utilisation de nanoparticules pour la délivrance ciblée de médicaments. Parmi plusieurs matériaux étudiés, la silice mésoporeuse représente une plateforme exceptionnelle pour ce type d’applications puisque elle est biocompatible et capable d’être chargé avec une quantité élevée de médicament, tout en étant facile à synthétiser et à fonctionnaliser. La connaissance des interactions entre nanoparticules de silice et environnement biologique est nécessaire pour concevoir des vecteurs thérapeutiques efficaces et pas toxiques. Cet étude a développé une nouvelle méthode d’analyse in situ pour suivre les interactions entre silice mésoporeuse et fluides biologiques réels (sérum et sang), employant une cellule d’analyse microfluidique et l’ellipsométrie en réflexion totale interne. Nous avons ainsi réalisé le suivi dynamique de la dégradation de vecteurs models à base de silice poreuse structuré dans une solution tampon à pH physiologique et une solution concentré de protéines. Ces analyses ont permis d’évaluer l’influence de la structure poreuse, de l’adsorption de protéines sur la surface et de la vitesse du flux sur la dissolution de la silice mésoporeuse. / Dans les dernières 15 ans, la recherche biomédicale a exploré en profondeur l’utilisation de nanoparticules pour la délivrance ciblée de médicaments. Parmi plusieurs matériaux étudiés, la silice mesoporeuse représente une plateforme exceptionnelle pour ce type d’applications puisque elle est biocompatible et capable d’être chargé avec une quantité élevée de médicament, tout en étant facile à synthétiser et à fonctionnaliser .La connaissance des interactions entre nanoparticules de silice et environnement biologique est nécessaire pour concevoir des vecteurs thérapeutiques efficaces et pas toxiques. Cet étude a développé une nouvelle méthode d’analyse in situ pour suivre les interactions entre silice mesoporeuse et fluides biologiques réels (serum et sang), employant une cellule d’analyse microfluidique et l’ellipsometrie en réflexion totale interne. Nous avons ainsi réalisé le suivi dynamique de la dégradation de vecteurs models à base de silice poreuse structuré dans une solution tampon à pH physiologique et une solution concentré de protéines. Ces analyses ont permis d’évaluer l’influence de la structure poreuse, de l’adsorption de protéines sur la surface et de la vitesse du flux sur la dissolution de la silice mesoporeuse.

La détection et quantification d’agent biologique occupe une place prépondérante dans la prévention et la détection des dangers possibles pour la santé publique (épidémie ou pandémie), l’environnement ainsi que d’autres risques contextuelles (bioterrorisme, armes biologique ou chimiques…etc.). Par conséquent, le développement d’un système portable et à moindre coût permettant de détecter ces dangers constitue l’axe de recherche pluridisciplinaire de la collaboration entre différents laboratoires de l’UPMC (Paris 6) et « RWTH university » à Aachen en Allemagne. Dans ce projet, nous avons étudié les aspects pluridisciplinaires d’un microsystème (LoC) électromagnétique de détection immunologique basé sur l’utilisation de nanoparticules magnétiques (MNP). En raison de leur extractabilité et de leur triabilité, les MNP sont adaptées à l'examen d'échantillons biologiques, servant de marqueurs pour des réactions biochimiques. La plupart des techniques classiques de détection existantes sont basées sur des méthodes colorimétrique, fluorescence ou électrochimique qui souffrent en majorité de problème de temps d’analyse et de sensibilité. A cet égard, Les méthodes d’immuno-détection magnétiques constituent une alternative prometteuse. Cette détection est effectuée à l’aide des MNP qui sont spécifiquement bio-fonctionnalisés en surface afin d’être liée à la cible (virus, anticorps…etc). La nouvelle méthode magnétique de mélange de fréquence permet la détection et la quantification de ces MNP avec une grande dynamique. Dans cette thèse, l’effort est dirigé vers la miniaturisation de ce système. Pour ce faire, nous avons développé un ensemble d’outils analytiques et de simulations multiphysiques afin d’optimiser les dimensions des parties électromagnétique (bobines planaires) et microfluidiques. Par la suite, des prototypes de cette structure de détection à partir de bobines en circuits imprimés et de réservoirs microfluidiques en PDMS sont dimensionnés et réalisés. Les performances de ces prototypes ont été évaluées en termes de limite de détection de MNP, linéarité et plage dynamique. En outre, ces prototypes ont permis de valider les outils de dimensionnement réalisés. Une limite de détection de nanoparticules magnétiques de 15ng/mL a été mesurée avec un volume d'échantillon de 14 μL correspondant à une goutte de sang. Finalement, la validation du système quant à l’immuno-détection est abordée avec un état de l’art et le développement d’une procédure de fonctionnalisation biochimique de surface ainsi que des premiers tests pour sa validation. / The detection and quantification of a biological agent or entity has become paramount to anticipate a possible health threat (epidemic or pandemic), environmental threat or to combat other contextual threats (bioterrorism, chemical and biological weapons, drugs). Consequently, developing a portable cost effective device that could detect and quantify such threats is the research focus of the joint multidisciplinary project between UPMC (Paris 6) laboratories and RWTH university in Aachen, Germany. In the framework of this project, we have studied the multidisciplinary aspects of an electromagnetic microsystem for immunologic detection based on magnetic nanoparticles (MNP) in a microfluidic lab-on-chip (LoC). Because of their extractability and sortability, magnetic nanoparticles are adapted for examination of biological samples, serving as markers for biochemical reactions. So far, the final detection step is mostly achieved by well-known immunochemical or fluorescence-based techniques which are time consuming and have limited sensitivity. Therefore, magnetic immunoassays detecting the analyte by means of magnetic markers constitute a promising alternative. MNP covered with biocompatible surface coating can be specifically bound to analytes, cells, viruses or bacteria. They can also be used for separation and concentration enhancement. The novel frequency mixing magnetic detection method allows quantifying magnetic nanoparticles with a very large dynamic measurement range. In this thesis, emphasis is put on the miniaturized implementation of this detection scheme. Following the development of analytical and multiphysics simulations tools for optimization of both excitation frequencies and detection planar coils, first multilayered printed circuit board prototypes integrating all three different coils along with an adapted microfluidic chip has been designed and realized. These prototypes have been tested and characterized with respect to their performance for limit of detection (LOD) of MNP, linear response and validation of theoretical concepts. Using the frequency mixing magnetic detection technique, a LOD of 15ng/mL for 20 nm core sized MNP has been achieved with a sample volume of 14 μL corresponding to a drop of blood. Preliminary works for biosensing have also been achieved with a state of the art of surface functionalization and a developed proposed biochemical immobilization procedure and preliminary tests of its validation.

A l’heure actuelle, la microfluidique est une science en plein développement ayant un besoin croissant de dispositifs permettant de générer des écoulements aux échelles micrométriques. Les phénomènes physiques mis en jeu lors du mouvement d’un fluide sont en effet majoritairement gouvernés par la viscosité (bas nombre de Reynolds) contrairement aux écoulements macroscopiques dominés par les effets inertiels.Dans cette thèse, les écoulements engendrés par le mouvement de parois mobiles ont été étudiés en vue d’une application aux micropompes, dispositifs essentiels en microfluidique.Dans une première partie, une étude analytique et numérique évalue la possibilité de générer un écoulement par un cylindre en rotation à proximité de parois mobiles.Les résultats obtenus du régime de Stokes (Re=0) jusqu’à un nombre de Reynolds Re=60 en régime stationnaire témoignent du potentiel notable d’intégration de cette géométrie dans les microsystèmes en tant que micropompes.Dans une seconde partie, une micropompe, basée sur un principe de fonctionnement novateur, est conçue par l’intermédiaire des techniques de microfabrication. Dans cette optique, le procédé de gravure RIE d’un élastomère est entièrement développé. Les performances de la micropompe en terme de pression et débit générés dépassent l’état de l’art des microsystèmes similaires et ceci en utilisant une technologie simple et bas-coût / Currently, microfluidic is a science field in constant development with an increasing need of devices able to generate flows at the micrometer order. At these length scales, physical phenomenons occurring in a moving fluid are mainly governed by its viscosity (low Reynolds number) contrary to macroscale flows dominated by inertial effects.In this thesis, a study on flows engendered by moving walls has been carried to fulfill to micropumps devices.In a first part, an analytical and a numerical study evaluates the possibility to generate a flow for a rotating cylinder close to moving boundaries.The results ranging from Stokes flows (Re=0) up to the low Reynolds number Re=60 in the stationary regime reveals the noticeable potential of integrating this device in microsystems as a micropump. In a second part, a new micropump, based on an innovative principle, is designed thanks to microfabrication technologies. In this perspective, the etching process of an elastomer called Silastic S is developed. Micropump performances in terms of pressure and flow rate are beyond the state of the art for similar microsystems and are achieved by using a simple and low-cost technology

Lorsque des ondes acoustiques de surface rayonnent dans des fluides, elles provoquent deux effets non linéaires : la pression de radiation et le streaming acoustique. Ces deux effets ont trouvé un grand nombre d’applications pour la microfluidique digitale, la manipulation sans contact et le tri cellulaire. Néanmoins, ces systèmes se heurtent à deux limites. D’une part, chaque application requiert une onde acoustique spécifique : il n’existe pas de dispositif multifonction à ce jour. D’autre part, l’exploration des fonctionnalités offertes par les ondes de surface les plus simples (ondes planes, ondes focalisées) n’a pas permis de réaliser des pinces sélectives permettant de manipuler individuellement des particules ou cellules indépendamment de leurs voisines.Dans une première partie de la thèse, nous développons deux méthodologies pour synthétiser des champs complexes d’ondes de surface. La première méthode utilise un réseau de 32 peignes interdigités contrôlé par la technique du filtre inverse pour générer des champs sur demande. La seconde résout un problème inverse afin de concevoir un transducteur holographique générant spécifiquement le champ demandé. Dans la seconde partie de la thèse, nous utilisons le filtre inverse pour (i) réaliser un laboratoire sur puce multifonction et (ii) étudier le potentiel d’ondes de surface particulières appelées ondes de surface tourbillonnaires. Ces ondes permettent une manipulation sélective et sans contact d’objets microscopiques. Nous terminons la thèse en équipant un microscope d’un transducteur holographique de vortex acoustiques afin de réaliser une manipulation sélective et sans contact de cellules. / When surface acoustic waves radiate in nearby fluids, they trigger two nonlinear effects: acoustic radiation pressure and acoustic streaming. These two effects find numerous applications for digital microfluidics, contactless manipulation and biological cell sorting. Nonetheless, these systems face two limitations. On the one hand, each application requires a specific acoustic wave: there is no multifunction device so far. On the other hand, search for functionalities offered by simple surface acoustic waves (plane and focused waves) has failed to provide a selective tweezers able to manipulate individual particles or cells independently of their neighbors. In the first part of this thesis, we develop two methods to synthesize complex surface acoustic wave fields. The first one employs an array of 32 interdigitated transducers controlled by the inverse filter to generate arbitrary fields on demand. The second method solves an inverse problem to design a holographic transducer to generate a predefined field. In the second part of the thesis, we use the inverse filter to (i) implement a multifunction lab on a chip and (ii) investigate the potentialities of a special type of surface acoustic waves called swirling surface waves. These waves enable a selective and contactless manipulation of microscopic objects. We conclude the thesis by integrating a holographic acoustical vortex transducer on a microscope in order to selectively manipulate biological cells without contact.

Les chiffres des statistiques du cancer colorectal en France et dans le mondemontrent la nécessité de développement de plateformes technologiques plus rapides,sensibles et spécifiques pour assurer le diagnostic du cancer. Un diagnostic rapide va ainsiaider à améliorer l’état de santé et réduire le temps d’attente des résultats qui peut être ungrand facteur de stress pour les patients. L’analyse des biomarqueurs dans le sang, lesurines et autres fluides corporels est l’une des méthodes appliquées pour la détectionprécoce de la maladie. Dans le cadre de ce projet des nucléosides urinaires ont été identifiéscomme biomarqueurs pour le cancer colorectal. Financée par l’Agence Nationale de laRecherche (ANR), à travers le projet CancerSensor (programme TECSAN), cette thèse s’estdéroulée au sein de l’équipe MDA (Microsystèmes de Détection Acoustique) du laboratoireIMS. Dans le cadre de ce projet, nous avons proposé une solution technologique dedétection et de suivi de biomarqueurs du cancer colorectal. Notre choix de la stratégie dedétection s’est porté sur les polymères à empreintes moléculaires comme élément dereconnaissance des biomarqueurs. Celui-ci sera associé à un transducteur acoustique àondes de Love mis au point lors de travaux précédents au sein de l’équipe MDA. Lebiocapteur ainsi développé va cibler les nucléosides mis en évidence pour le cancercolorectal. / Colorectal cancer statistics in France and all over the world demonstrate theneed for fast, sensitive and specific technological platforms development for cancerdiagnosis. A rapid diagnosis will improve the patients’ health status and reduce the resultswaiting time which could be a great stress factor. Biomarkers analysis in blood, urine andother body fluids is recognized as one of the applied methods for early cancer detection. Inframe of this project, urinary nucleosides have been identified as colorectal cancerbiomarkers. Funded by the National Research Agency (ANR), through the cancer sensorproject (TECSAN program), this thesis was carried out in IMS laboratory. Hence, a colorectalcancer biomarkers detection and monitoring technological solution has been proposed. Inour detection strategy, Molecularly Imprinted Polymers (MIP) has been identified asbiomarker recognition element. The MIP layer has been associated to Love Wave acoustictransducer. This biosensor will sense the identified colorectal cancer nucleosides.

Ces travaux sont consacrés à la synthèse d'un nouveau type de métamatériaux acoustiques dans le domaine ultrasonore. L'étude porte sur les résonances de cavité, elles peuvent influer sur les différentes grandeurs physiques impliquées dans la propagation des ondes acoustiques. Pour amplifier les résonances, la stratégie a été de mettre en place un contraste de vitesse de phase entre la matrice et les inclusions résonantes. Pour travailler dans le domaine ultrasonore, les techniques de mise en oeuvre sont issues de la microfluidique. Les premiers échantillons sont élaborés par émulsification micrométrique assistée par robotique. Cela permet d'obtenir des polydispersités de l'ordre de 1%. Différents modes de résonances acoustiques ont ainsi été observés. Les recherches ont été poussées jusqu'à l'étude de la polydispersité (1 à 12 %) et l'analyse de systèmes comprenant deux populations de gouttes. Le reste du travail s'est fait en millifluidique avec la mise en forme de dispersions de billes de xérogel de silice avec de plus importants contrastes de vitesse. La synthèse utilisée est une réaction de type sol-gel en milieu basique salin. Le montage millifluidique a été mis en place et calibré pour cette synthèse. La réaction chimique et les particules obtenues ont été caractérisées de nombreuses manières (Raman, rhéologie, mesure de compression, de densité, BET, MEB...). Les mesures acoustiques sur de tels systèmes ont permis de mettre en évidence des gammes de fréquence pour lesquelles l'indice de réfraction acoustique était négatif les plus fortes fractions volumiques (≈ 20%). / This work is dedicated to the synthesis of a new kind of acoustic metamaterials working in the ultrasonic range. The study is based on cavity resonance which can influence physical quantities involved in acoustic wave propagation. For amplifying these resonances, a large phase velocity contrast is required between the matrix and the inclusions.For the ultrasonic range and because of size requirements, the implementation is achieved using microfluidics. First, samples are generated using robotic-assisted emulsification which leads to a very small size polydispersity, around 1%. For these calibrated emulsions, different modes of acoustic resonance are clearly identified. We then generated polydisperse samples on purpose (up to 12%) and correlated the quality factor of the resonances to the size dispersity. Then, in order to enhance the resonance magnitude, silica-based xerogels are synthesized and templated using digital millifluidics. The chemical reaction along with the final xerogel micro-beads (≈ 100 μm radius) are characterized with a large variety of techniques (Raman, rheology, compression and density measurement, BET, SEM...). Acoustic measurements on these systems show that there is a frequency range with a negative acoustic refractive index for a at high enough volume fraction of xerogel particles (20%).

Les émulsions fluorées de Pickering sont étudiées et mises au point dans la technologie demicrofluidique en gouttes pour des applications d’études sur des cellules adhérentes isolées.Les principaux résultats de ce projet sont : l’établissement d’un lien entre la couverture desurface des nanoparticules et la fluidité de l’émulsion de Pickering ; l’établissement deslignes directrices pour la stabilisation des gouttes avec un débit de production élevé et unminimum de déchets de particules ; et la mise en oeuvre d’une plateforme technologiquecomplète pour l’étude des cellules RPE, pour mesurer leur hétérogénéité phénotypique auniveau de la cellule individuelle. / Fluorinated Pickering emulsions are studied and engineered within droplet-based microfluidicstechnology for adherent-cell studies applications. The main findings of this projectinclude: linking the nanoparticles surface coverage to the bulk flowability of the Pickeringemulsion; deriving guidelines for droplet stabilization with high production throughput andminimal particle waste; and implementing the full technological platform for the study ofRPE cells, while unraveling their phenotypic heterogeneity at the single cell level.

Résumé confidentiel / Résumé confidentiel

Afin de réaliser des dispositifs en polymère à forte valeur ajoutée, l'industrie de la plasturgie s'intéresse depuis quelques années à la convergence possible entre les microtechnologies et les méthodes industrielles de mise en oeuvre des polymères (le thermoformage et la thermo-injection). Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse est de démontrer l'intérêt d'une approche à base de microtamponnage pour l'intégration de capteurs à base métallique dans des circuits microfluidiques en thermoplastique réalisés par thermoformage. Pour ces matériaux, cette approche apparait plus pertinente en terme de production de masse qu'une approche de photolithographie classique. Nous avons choisi de démontrer ce concept en étudiant l'intégration d'un capteur de pH et d'un capteur de température dans un système microfluidique en copolymère d'oléfine cyclique (COC) réalisé par thermoformage. En effet, la mesure de ces paramètres physico-chimiques est extrêmement répandue dans différents domaines d'application allant de la chimie à la biologie et à la médecine. Pour le capteur de pH, nous avons développé une couche sensible au pH à base d'oxyde d'iridium (IrOx) électrodéposé sur or. L'influence de différents paramètres (solution d'électrodépôt, méthode d'électrodéposition, nature du substrat métallique et son mode de préparation) sur la réponse au pH de ces couches a été étudiée. Nous avons ainsi pu démonter qu'une approche par microtamponnage passive est adaptée à la préparation de capteurs de pH sur un substrat en COC/Au ayant une sensibilité de -72 mV/pH et une durée de vie de 1 an. Pour le capteur de température, la solution retenue est basée sur le principe d'une thermorésistance. Les capteurs ont été élaborés en utilisant une approche par microtamponnage actif avec croissance d'une couche de nickel (dont l'épaisseur varie entre 0,2 et 5 μm) par métallisation autocatalytique sur polyimide. La dérive des capteurs est actuellement trop importante pour une application pratique. Finalement, des résultats préliminaires d'intégration de ces capteurs dans un microsystème fluidique thermoformé sont présentés avec notamment une configuration originale de mesure différentielle du pH / The plastics industry has been interested for some years in the possible convergence between microtechnologies and conventional polymer manufacturing (hot embossing and injection molding). In this context, this thesis aims at demonstrating the potential of a process based on microcontact printing in order to integrate metal based sensors in thermoplastic microfluidic devices shaped by hot embossing. For the mass production of thermoplastic devices, this approach appears more relevant than conventional photolithography. We chose to demonstrate this concept by investigating the integration of both a pH sensor and a temperature sensor in a thermoformed Cyclo Olefin Copolymer (COC) microfluidic system. Indeed, the measurement of these physicochemical parameters are extremely widespread in different applicative areas ranging from chemistry tobiology and medicine. For the pH sensor, we developed a pH-sensitive layer based on electrodeposited iridium oxide (IrOx) on Au. The influence of various parameters (plating solution and method , nature of the metal substrate and its method of preparation) on the pH response of these layers was studied. We were able to demonstrate that microcontact printing based on a passive approach is suitable for the preparation of pH sensors on a COC substrate with a sensitivity of -72 mV/pH and a 1 year lifetime. As regards the temperature sensor, the solution was to design a thermistor. Sensors were implemented with an approach based on active microcontact printing followed by electroless deposition of nickel (thickness varies between 0,2 and 5 μm) on polyimide. The drift of these sensors is too large for practical application. Finally, preliminary results presenting the integrating of these sensors in a fluidic microsystem are reported using an original configuration based on differential measurement of pH

Les charges à l'interface liquide/solide sont un élément originel majeur des phénomènes électrocinétiques observés en micro/nanofluidique. Elles sont donc la colonne vertébrale de mon manuscrit de thèse, qui se décompose en trois parties : Dans la première partie, un rappel des concepts de base sur les interfaces liquides/solides est proposé au lecteur. Il est suivi d'une description des différentes méthodes expérimentales permettant de mesurer le potentiel zeta de couples solide/électrolyte, puis d'une présentation des travaux de la littérature exploitant les charges aux interfaces pour la préconcentration de molécules biologiques dans des systèmes Micro-Nano-Micro (MNM) fluidiques. Ensuite, une deuxième partie est consacrée à la mesure du potentiel zeta par la méthode des courants d'écoulement. Nous y présentons l'amélioration du banc expérimental issu des travaux antérieurs à ma thèse, ainsi que le développement de nouveaux protocoles de préparation des surfaces permettant de rationaliser et de stabiliser les mesures. Une application à un détecteur original de molécules biologiques clos cette deuxième partie. Enfin, la troisième et dernière partie s'intéresse à la préconcentration de molécules biologiques. Une méthode originale de fabrication des dispositifs MNM et les résultats de préconcentration obtenus, très encourageants, sont décrits. Des premiers modèles numériques et phénoménologiques sont proposés, qui mettent en avant l'originalité de notre travail / The charges at liquid/solid interfaces are a key element for both understanding and exploiting the electrokinetic phenomena in micro/nanofluidics. The manuscript of my Ph.D thesis is dedicated to these phenomena, which is divided into three main parts: Above all, a simple overview of charges at the liquid/solid interface is proposed. Then, several common methods for measuring the zeta potential at the liquid/solid interface are described. Next, various effective methods to preconcentrate the biological molecules is presented with the help of the surface charges. Secondly, the streaming current, which is a standard method to measure the zeta potential in our laboratory, is detailed. It contains the upgrade of the experimental setup from the previous version and the development of new protocols, which improve dramatically the stabilization and the reproducibility of the measurements. In addition, an original biological sensor is briefly presented based on these advancements. Lastly, in the final part, we describe a method which is primitively utilised in the fabrication of Micro-Nano-Micro fluidic system. Based on this system, some favorable preconcentration results is obtained. Moreover, numerical simulations are presented to prove the originality of our work