Ce travail de thèse expérimental porte sur les dynamiques d'imbibition en milieu confiné. Cette situation survient lorsqu'un fluide mouillant les parois d'un solide vient déplacer un second fluide non-miscible. La divergence des contraintes visqueuses au niveau de la ligne de contact avec le solide complexifie la description de la forme et de la dynamique d'invasion du ménisque qui ne peut se résumer, même aux échelles macroscopique du confinement solide, à l'avancement d'un front liquide homogène. L'absence de longueur caractéristique intrinsèque aux fluides nécessite de tenir compte des couplages entre écoulement et forme des interfaces à toutes les échelles, depuis le nanomètre (interactions moléculaires) jusqu'à l'échelle du confinement (une centaine de micromètres dans nos expériences). Ce caractère multi-échelle est au centre des travaux effectués durant cette thèse. A l'aide du développement de nouveaux outils microfluidiques, nous étudions quantitativement l'imbibition dans une géométrie de type Hele-Shaw. Une étude à la fois expérimentale et numérique nous permet de mettre en évidence l'existence d'une nouvelle transition d'entrainement. Une étude complète du modèle numérique nous permet ensuite d'unifier ce nouveau mode avec celui reporté jusqu'à présent dans la littérature. Nous nous intéressons aussi à l'imbibition dans des réseaux poreux modèle. Nous identifions alors expérimentalement un nouveau mode d'invasion généralisant l'entrainement obtenu précédemment. Ce scénario est piloté par l'écoulement en film de coin autour des obstacles constituant le poreux. Nous proposons alors un critère géométrique simple pour discriminer les différents modes d'invasions. / This experimental thesis deals with imbibition in confined media. This situation occurs when a fluid which preferentially wets the solid displaces another immiscible fluid. The divergence of the viscous stress at the contact line with the solid complicates the description of both the shape and the invasion dynamic of the meniscus that can no longer be described, even at the macroscopic length scale of the solid confinement, by only the displacement of a homogeneous liquid front. The absence of any intrinsic fluids length scale requires to take into account the coupling between the interface shape and the flow at all scales, from nanometers (molecular interaction) to solid confinement scale (hundred micrometers in our experiments). Multi-scale behavior will be the central point of this thesis. Using new microfluidics tools, we first made a quantitative study of imbibitions in Hele-Shaw geometry. We demonstrate a new class of liquid entrainment transition both experimentally and numerically. In addition, an extensive analysis of our numerical model shows that it consistently describes all scenarios that have been reported so far. We then study imbibitions in model porous media. We demonstrate a new invasion process, where the flow occurs along the corner of the porous? obstacles, that generalizes the previous entrainment. We finally propose a geometric criterion that discriminates between the different invasion scenarios.

Nous présentons plusieurs expériences d'hydrodynamique interfaciale illustrant des procédés de création, stabilité et rupture d'interfaces fluides, liquide/liquide ou liquide/gaz. Dans un premier temps, nous étudions le processus de fragmentation d'objets déformables, gouttes et bulles, par un obstacle rectangulaire ou une boucle asymétrique placés dans un canal microfluidique. La deuxième partie de ce travail se consacre à des expériences menées avec des bulles et films liquides minces formés à l'aide d'eau savonneuse ou de liquides très visqueux. Après avoir revisité quelques surfaces minimales adoptées par un film de savon à l'équilibre, nous étudions divers mécanismes de formation de bulles et de bulles interfaciales. Dans ces deux parties, nos études sont menées en faisant varier de façon systématique les paramètres hydrodynamiques, physicochimiques et géométriques contrôlant chaque expérience. Nous interprétons les résultats obtenus en microfluidique à l'aide d'arguments simples basés notamment sur l'analogie électro-hydraulique aux bas nombres de Reynolds, tandis que l'analyse dimensionnelle et des lois d'échelle permettent de décrire la plupart des comportements expérimentaux des bulles et films liquides minces. / We report hydrodynamic experiments illustrating the creation, stability and rupture of either liquid/liquid or liquid/gas interfaces. First, we investigate the fragmentation of deformable objects, such as drops and bubbles, against a rectangular obstacle or at the entry node of an asymmetric loop placed in a microfluidic channel. In the second part of this work, we report experiments conducted with bubbles and thin-liquid films either made with soapy water or highly viscous fluids. After having described a few minimal surfaces sought by a soap film at equilibrium, we study a variety of mechanisms that yield the formation of bubbles and interfacial bubbles. In both parts, our investigations are conducted by systematically varying the parameters (hydrodynamic, physicochemical and geometric) controlling each experiment. We interpret microfluidic results with simple physical arguments based on the electro-hydraulic analogy at low Reynolds numbers. Experimental findings on bubbles are rationalized mostly using dimensional analysis and scaling laws.

Ce travail de thèse est consacré à la manipulation et la déformation optique d'interfaces liquides molles, cela dans deux géométries fondamentales: plane et sphérique. Nous montrons alors que les déformations induites par pression de radiation optique permettent de déduire les propriétés des interfaces, comme la tension interfaciale par exemple. Dans le cadre de la déformation d'une interface liquide plane par pression de radiation, nous généralisons pour la première fois la manifestation électro-hydrodynamique des cônes de Taylor au régime optique, en montrant que des cônes liquides peuvent émerger sous fortes excitation laser. Nous avons alors caractérisé la morphologie de ces « cônes optiques » et nous montrons que l'angle de ces derniers dépend à la fois des paramètres de l'excitation laser mais aussi des caractéristiques des fluides. Une étude analytique ainsi qu'une étude numérique ont alors été menées afin de rendre compte des comportements observés.Afin d'étudier la déformation d'interfaces molles en géométrie sphérique, nous avons développé un double piège optique fibré en dispositif microfluidique dans une configuration inédite en termes de longueur d'onde excitatrice et de puissance laser. Nous avons alors appliqué notre dispositif à la déformation de vésicules en tant qu'objets modèles mous et nous montrons que notre double piège est bien adapté à la caractérisation rhéologique d'objets micrométriques déformables. Grâce à l'utilisation de faisceaux laser de forte puissance, nous mettons ici en évidence expérimentalement l'apparition d'un régime non-linéaire de déformation au sein de notre double piège optique. / This thesis work is devoted to the optical manipulation and deformation of soft liquid interfaces, in two fundamental geometries: plane and spherical. We then show that the deformations induced by optical radiation pressure allow to deduce the properties of interfaces, such as interfacial tension for example. In the framework of the deformation of a plane liquid interface by optical radiation pressure, we generalize for the first time the electro-hydrodynamic manifestation of Taylor cones to the optical regime, showing that liquid cones can emerge under intense laser excitation.We then characterized the morphology of these "optical cones" and we show that their angle depends both on the parameters of the laser excitation and on the characteristics of the fluids. An analytical study as well as a numerical investigation were then conducted to account for the observed behaviors. In order to study the deformation of soft interfaces in spherical geometry, we have developed a fiber-based dual-beam optical trap in a microfluidic device in a novel configuration in terms of excitation wavelength and laser power. We then applied our device to the deformation of vesicles as soft model objects and we show that our dual-beam trap is well adapted to the rheological characterization of deformable micron-sized objects. Thanks to the use of high laser power beams, we experimentally highlight the appearance of a non-linear deformation regime within our double optical trap.

Ce travail de thèse porte sur la réalisation et la validation d'un capteur pour la mesure d'impédance en cytométrie de flux associée à un dispositif microfluidique pour des cellules sanguines dans la gamme de fréquences (100 kHz-10 MHz). Un premier chapitre introduit les propriétés électriques et diélectriques des tissus vivants. Les effets de chaque élément des cellules sur l'impédance globale mesurée sont décrits, ainsi que les modèles associés. Un état de l'art, sur les mesures de l'échelle macroscopique à la mesure unitaire de cellules, est exposé dans le second chapitre. Les mesures en cytométrie de flux et l'utilisation possible des actionneurs à ondes acoustiques de surface (SAW) y sont aussi étudiées. Le troisième chapitre concerne la modélisation analytique et la simulation par la méthode des éléments finis de cellules unitaires par des microélectrodes de différentes géométries. Les résultats de cette section ont permis de déterminer les meilleures géométries, leurs sensibilités, et leurs réponses. La fabrication du capteur est étudiée dans le quatrième chapitre. Les contraintes liées à la faisabilité par les techniques de micro-fabrication et la biocompatibilité des matériaux y sont développées. Des premiers tests de validation sur les écoulements y sont effectués. Le cinquième et dernier chapitre est centré sur la mesure de cellules et particules. Des tests de calibration ont été réalisés pour déterminer le facteur de forme des électrodes et les impédances parasites. Les mesures suivantes sur des cellules et particules ont permis de valider les résultats obtenus en simulation, ainsi que la discrimination des particules testées en fonction de leurs dimensions / This thesis focuses on the implementation and validation of a microfluidic bioimpedance sensor for cytometric measures in the frequency range ( 100kHz - 10MHz ) of biological cells ( blood cells) combined with a microfluidic device. The first chapter introduces the electrical and dielectric properties of living tissues and summarizes the state of the art. The effects of each element of the cells on the overall measured impedance are described, as well as the associated models. A state of the art, on the bioimpedance macroscopic measurements unit cell is outlined in the second chapter. Measurements by flow cytometry and the possible use of surface acoustic wave (SAW) devices as actuators are also studied. The third chapter deals with analytical modeling and simulation by the finite element method of unit cells by microelectrodes of different geometries. 3D simulations were done showing the best configuration for the electrodes design. The results of this section were used to determine the best geometry, their sensibilities, and their answers. The sensor design is described in the fourth chapter. Technological constraints related to its micro- fabrication techniques feasibility and biocompatibility of materials are developed. Flows validation tests were done and are described. The fifth and final chapter focuses on the measurement of cells and particles. In a first step, calibration tests were carried out to determine the form factor of the electrodes and the parasitic impedances. Measurements on cells and particles were used to validate the results obtained in simulation, as well as discrimination based particles tested their dimensions

Ce projet de thèse portait sur le développement d’outils microfluidiques pour la toxicologie et la recherche contre le cancer. En permettant l’analyse simultanée d’un très grand nombre de réactions biologiques ou chimiques réalisés dans des compartiments indépendants (ie. gouttelettes), la microfluidique de gouttes offre une sensibilité de détection et une précision sans précédent pour l’analyse de molécules biologiques, telles que l’ADN ou les Anticorps, en comparaison des expériences réalisées conventionnellement en tubes ou en microplaques (essais en « bulk » ou volume). Ce format permet également de réaliser des expériences à très haut débit et est particulièrement pertinent pour la toxicologie, où des analyses robustes de l’effet des médicaments sont nécessaires. De même, ces procédures sont également très adaptées à l’analyse de cellules uniques pour le séquençage ADN ou ARN et l’épigénomique. Tout cela fait de la microfluidique en goutte un outil puissant pour la toxicologie et la recherche sur le cancer. En premier temps, une méthode du comptage précise des cellules encapsulée dans des microgouttelettes, nommée « hémocytométrie microfluidique », a été développée. Un nouvel algorithme de comptage a été proposé. Des cellules bactériennes (Escherichia Coli) et des cellules de 2 lignées humaines différentes (HL60 and H1975) ont été testées. Le nombre de chaque type de cellules a été déterminé avec une haute corrélation entre la théorie (basée sur la distribution de Poisson) et les résultats expérimentaux. Avec ces résultats robustes, un protocole de microfluidique en goutte a été mis en place pour interroger la viabilité cellulaire et la prolifération des 2 lignées humaines. Ces résultats sont en concordance avec ceux de la littérature. Pour la toxicologie, 3 différents modèles, y compris des microsomes (extrait de cellules d’insectes infectées par un baculovirus exprimant le cytochrome P450 3A4 humain, CYP3A4), HepG2-CYP3A4 (modifiée génétiquement pour exprimer le gène CYP3A4 humain), et HepaRG, une lignée hépatique, ont été évaluées pour l’activité enzymatique du CYP3A4, une enzyme largement utilisée en routine pour le criblage de médicament candidat. Les microsomes ont permis de développer un essai fluorogénique permettant de mesurer l’inhibition du CYP3A4. Cependant, ni l’utilisation des microsomes ni des cellules HepG2 exprimant CYP3A4 n’a donné de résultats satisfaisants en microgouttelettes. L’utilisation des cellules HepaRG, une lignée cellulaire qui conserve la majorité de l’expression des cytochromes P450 et des récepteurs nucléaires nécessaire à leur expression, a montré des résultats encourageant à la fois sur les tests de mesure de l’activité enzymatique et d’analyse de l’induction du CYP3A4. Pour la recherche sur le cancer, 4 essais originaux de PCR digitale en gouttes ont été mis en place pour la détection et la quantification de mutations (NRAS, DNMT3A, SF3B1 and JAK2) importante pour les syndromes myélodysplasiques, un groupe hétérogène de maladies touchant les cellules souches hématopoïétiques caractérisées par une hématopoïèse inefficace et des cytopénies périphériques. Finalement, un essai de PCR sur cellule unique encapsulées au sein de billes agarose a été proposé. / This thesis project consists in developing droplet-based microfluidic tools for toxicology and cancer research. Owing to its large numbers of discretized volumes, sensitivity of detection of droplet-based microfluidics for biological molecules such as DNA and antibody is much higher than bulk assays. This high throughput format is particularly suitable for experiments where a robust dose-response curve is needed, as well as for single cell analysis with applications in genomic or sequencing and epigenetics. All above makes droplet-based microfluidics a powerful tool for toxicology and cancer research. In a first part of the work, an accurate cell counting method, named “microfluidics hemocytometry”, has been developed. A new counting algorithm was proposed to count the cells within each droplet. Escherichia Coli and two different human cell lines (HL60 and H1975) were used to validate our strategy. The number of each type of cells in droplets was determined with a high consistency between theory (Poisson distribution) and experimental results. With these robust results, a droplet-based microfluidic protocol has then been established to inquiry both cell viability and proliferation for the two human cell lines. The results are in good agreement with the one of the literature. For the toxicology, 3 different biological models, including microsomes (extracted from baculovirus-infected insect cell expressing human CYP3A4), HepG2-CYP3A4 (genetically modified to express the human CYP3A4 gene) and HepaRG liver cells lines were evaluated for enzymatic activity of cytochromes P450 (CYP3A4), a routinely used enzyme for drug candidate screening. Microsome-based assays were used to validate a fluorogenic inhibition assay. However neither microsome-based assay nor the assay using CYP3A4 expressing HepG2 gave satisfying results in droplet-based format. However, HepaRG cells, a hepatic function-conserved cell line with most cytochrome and related nuclear receptors, demonstrated high relevance both for enzymatic activity testing and CYP3A4 expression induction study. For cancer research, 4 different picoliter droplet-based PCR assays were developed for the detection and quantification of mutations (NRAS, DNMT3A, SF3B1 and JAK2) present in Myelodysplastic syndromes, a heterogeneous group of clonal bone marrow hematopoietic stem cell disorders characterized by ineffective hematopoiesis and peripheral cytopenias. Furthermore, a single cell multistep PCR assay using encapsulation of target DNA in agarose droplets was proposed.

La fusion cellulaire est une méthode de génération de cellules hybrides combinant les propriétés spécifiques des cellules mères. Initialement développée pour la production d’anticorps, elle est maintenant aussi investiguée pour l’immunothérapie du cancer. L’électrofusion consiste à produire ces hybrides en utilisant un champ électrique pulsé. Cette technique présente de meilleurs rendements que les fusions chimiques ou virales, sans introduire de contaminant. L’électrofusion est actuellement investiguée en cuve d’électroporation où le champ électrique n’est pas contrôlable avec précision et le placement cellulaire impossible, produisant de faibles rendements binucléaires. Afin d’augmenter le rendement et la qualité de fusion, la capture et l’appariement des cellules s’avèrent alors nécessaires.Notre objectif a été de développer et de réaliser des biopuces intégrant des microélectrodes et des canaux microfluidiques afin de positionner et d’apparier les cellules avant leur électrofusion. Une première structure de piégeage se basant sur des plots isolants et l’utilisation de la diélectrophorèse a été réalisée. Afin d’effectuer des expérimentations sous flux, une méthode de scellement des canaux, biocompatible et étanche a été développée. Puis, le milieu d’expérimentation a été adapté pour l’électrofusion. En confrontant les résultats des expériences biologiques aux simulations numériques, nous avons pu démontrer que l’application d’impulsions électriques induisait la diminution de la conductivité cytoplasmique. Nous avons ensuite validé la structure par l’électrofusion de cellules. Un rendement de 55% avec une durée de fusion membranaire de 6 s a été obtenu. Dans un second temps, nous avons proposé deux microstructures de piégeage pour l’électrofusion haute densité. La première se base sur un piégeage fluidique, alors que la seconde, utilise ladiélectrophorèse sans adressage électrique à l’aide de plots conducteurs. Jusqu’à 75% des cellules fusionnent dans cette dernière structure. Plus de 97% des hybridomes produits sont binucléaires. Le piégeage étant réversible, les hybridomes peuvent ensuite être collectés pour des études ultérieures. / Cell fusion is a method to generate a hybrid cell combing the specific properties of its progenitor cells. Initially developed for antibody production, it is now also investigated for cancer immunotherapy. Electrofusion consists on the production of hybridoma using electric pulses. Compared to viral or chemical methods, electrofusion shows higher yields and this system is contaminant free. Actually, electrofusion is investigated in electroporation cuvettes, where the electric field is not precisely controllable and cell placement impossible, resulting in low binuclear hibridoma yields. To improve the fusion quality and yield, cell capture and pairing are necessary.Our objective was the development and realization of biochips involving microelectrodes and microfluidic channels to place and pair cells prior to electrofusion. A first trapping structure based on insulators and the use of dielectrophoresis has been achieved. In order to perform fluidic experiments, a biocompatible irreversible packaging was developed. Then, the experimental medium was optimized for electrofusion. Confronting the biological experiments and the numerical simulations, we showed that the application of electric pulses leads to a decrease of the cytoplasmic conductivity. The microstructure was validated by cell electrofusion. A yield of 55%, with a membrane fusion duration of 6 s has been achieved. Secondly, we proposed two trapping microstructures for high density electrofusions. The first one is based on a fluidic trapping while the second one uses dielectrophoresis, free of electric wiring, thanks to conductive pads. Up to 75% of paired cells were successfully electrofused with the conductive pads. More than 97% of the hybridoma were binuclear. The trapping being reversible, the hybridoma can be collected for further analysis.

Depuis les observations par Poiseuille au XVIIIe de réseaux microvasculaires de petits vertébrés,la microcirculation sanguine a fait l'objet d'abondantes études. Une spécificité mise en avant par le médecin français est la forte hétérogénéité de la distribution des globules rouges dans ces réseaux. En dépit du lien étroit qui lie la fraction volumique locale des globules rouges(hématocrite) à l'oxygénation des tissus environnants, le couplage entre l'architecture microvasculaire et la micro-hémodynamique est encore mal compris. Le sang est un fluide complexe composé de globules rouges, cellules très déformables, suspendus dans du plasma.Dans les vaisseaux de petits diamètres, i.e. du même ordre de grandeur voire plus petits que la taille caractéristique d'un globule rouge (~10µm), le sang possède des propriétés rhéologiques atypiques induites par la structuration locale de l'écoulement et les hétérogénéités d'hématocrite qui en résultent dans la section droite. Ces hétérogénéités se traduisent, aux bifurcationsdivergentes, par une répartition non proportionnelle des débits de globules rouges et de plasma entre les deux branches filles. L'hématocrite de l'une d'elles est alors plus élevé que celui de labranche d'entrée, alors qu'il est plus faible dans l'autre branche. Cet effet, connu sous le nom d'effet de séparation de phase, induit une très grande hétérogénéité de l'hématocrite à l'échelle du réseau. L'objectif de cette thèse est d'étudier l'apparition de ces hétérogénéités, de l'échelle du vaisseau à l'échelle du réseau, dans des conditions expérimentales contrôlées et pour des régimes de confinement et d'hématocrite représentatifs des écoulement sanguins de la partie terminale du lit microvasculaire (artérioles, capillaires et veinules de diamètres inférieurs à 20 µm).De nombreuses données expérimentales ont été acquises in vivo, mais elles sont sujettes à de fortes incertitudes quant à la forme et aux dimensions de la section droite des vaisseaux, mais aussi soumises aux effets de régulations physiologiques des débits (e.g. par vasoconstriction ou vasodilatation). A notre connaissance, du fait des contraintes expérimentales inhérentes aux régimes de confinement et d'hématocrite des plus petits vaisseaux de la microcirculation, très peu d'études in vitro dans ces conditions ont été menées. Tout d'abord, nous présentons les profils de vitesse des globules rouges et les profils d'hématocrite obtenus grâce à une nouvelle méthode de mesure de concentration développée pendant ce travail, dans des canaux uniques de taille comprise entre 5 et 20µm, et dans une large gamme d'hématocrite. Nous proposons une paramétrisation générale semi-empirique de ces profils, qui prend en compte la présence d'unecouche d'exclusion plasmatique, observée quelle que soit la taille du canal aux faibleshématocrites. Ensuite, nous présentons une étude paramétrique de l’effet de séparation dephase. Nous montrons que les résultats obtenus sont indépendants, dans les régimes étudiés, de l’angle de la bifurcation et du débit de la branche d’entrée. Ces résultats sont en général en bon accord avec un modèle simple qui s’appuie sur la paramétrisation précédente des profils d'hématocrite et de vitesse des globules rouges et suppose l'existence d'une ligne séparatrice de fluides dans la section droite de la branche mère. Ces résultats suggèrent que les globules rouges peuvent être décrits par un fluide équivalent, y compris dans les conditions de très fortconfinement. Enfin, nous reportons pour la première fois des résultats quantitatifs liés à la distribution de l'hématocrite dans des réseaux modèles. Nous montrons notamment quel'asymétrie des profils d'hématocrite dans les branches amonts distribue les globules rouges en enrichissant le cœur du réseau au détriment des bords. Nous comparons nos résultats à ceux d’un modèle non-linéaire de type réseau classique proposant des corrections prenant en compte cette asymétrie. / Since the very first observations of microvascular networks in small animals by Jean-MariePoiseuille in the XVIIIth century, the blood microcirculation has been extensively studied. One ofthe most striking feature highlighted by the French physicist is the highly heterogeneousdistribution of the red blood cells throughout microvessel networks. Despite the intimate linkbetween local red blood cell volume fraction (hematocrit) and surrounding tissue oxygenation, thecoupling between microvascular architecture and micro-hemodynamics is still poorly understood.Blood is a complex fluid, mainly composed of highly deformable red blood cells suspended inplasma. Thus in vessels with small diameter, i.e. of same order or smaller than the characteristicsize of a single red blood cell (~ 10µm), blood exhibits non-standard rheological propertiesinduced by the structuration of the flow and the heterogeneous distribution of the hematocrit withinthe cross section. This heterogeneity triggers a non propotionnal distribution of red blood cell andplasma flow rates between the daughter branches of a diverging bifurcation. One of the daughterbranch has a higher hematocrit than the feeding branch, while the other has a lower hematocrit.This effect, known as the phase separation effect, leads to hematocrit heterogeneities at networkscale. The goal of this thesis is to study the emergence of these heterogeneities, from the scale ofa single vessel to the scale of a network, in controlled experimental conditions and regimes ofconfinement and hematocrit representative of blood flow in the terminal parts of the microvascularbed (arterioles, capillaries and venules with diameters below 20µm). Many experimental data havebeen obtained textit{in vivo}, but these are subject not only to strong uncertainties regarding theshape and the dimensions of the vessel cross section, but also to physiological flow rate regulation(e.g. through vasoconstriction or vasolidation). To our knowledge, due to the highly challengingexperimental constraints, only very few in vitro studies have been performed. First, we presentred blood cell velocity and hematocrit profiles, obtained thanks to a new measure of red blood cellconcentration developped during this work in single channels of size ranging from 5 to 20 micronsand for a broad range of hematocrit values. We derive a semi-empirical parameterization of theseprofiles that takes into account the presence of a cell-free layer observed at low hematocrit values,for the whole range of channel sizes studied. We then present a parametric study of phaseseparation. Our results show that in the studied regimes, this effect depends neither on thebifurcation angle nor on the entry branch flow rate. These results are in general in good agreementwith a simple model that assumes the existence of a fluid separating streamline in the entrybranch cross section and relies on the above parameterization of the red blood cell velocity andhematocrit profiles. These results suggest that in spite of their cellular nature the red blood cellscan be treated as an equivalent fluid even in very high confinement regimes. Finally, we report forthe first time quantitative results related to the hematocrit distribution in model networks. Wenotably show that asymmetry of the hematocrit profile in the upstream branches leads the redblood cells into the center of the network while its edges are depleted. Our results are comparedwith a classical non-linear network type model corrected to take this asymmetry into account.

L’intérêt des ultrasons pour la caractérisation de milieux ou pour l’actionnement à plus forte puissance n’est plus à démontrer. L’intégration de fonctions acoustiques substrats de silicium soulève en revanche de nombreux problèmes technologiques. Le travail de thèse présenté fait suite aux premiers développements technologiques qui ont permis la validation du concept de caractérisation acoustique haute fréquence en canal microfluidique. Les principales avancées de ce travail concernent l’optimisation du transfert de l’énergie acoustique dans le canal microfluidique dans une bande de fréquence allant de 500 à 1000 MHz. Des dépôts de couches minces sur les miroirs et le développement de transducteurs en couches épaisses constituent les principales avancées. Une première évaluation de l’actionnement de fluides ou de particules en canal microfluidique est également présentée ainsi qu’une application du système à la mesure de température en canal microfluidique par ultrasons. / The interest of ultrasounds for media characterization or for actuation when using more power is well known. Nevertheless, the integration of these acoustic functions in silicon based Lab-on-chips requires specific technological developments. The possibility to use high frequency bulk acoustic waves in this kind of systems for characterization or detection has been presented previously in another PhD work. The main objective of this work was to optimize acoustic energy transfer to a microfluidic channel in a frequency range between 500 MHz and 1000 MHz. To do that, the main technological developments achieved among others concern the coating of the guiding mirrors to avoid acoustic mode conversion and ZnO thick films sputtering for the fabrication of piezoelectric transducers. The developed system has been used for particles detection or concentration evaluation. Moreover, a first evaluation of fluids/particles actuation was demonstrated, along with temperature evaluation using ultrasound were achieved in microfluidic channels.

Les propriétés électrocinétiques de cellules ou de complexes colloïde-cellule visant leur manipulation individuelle dans une puce microfluidique devrait permettre de proposer de nouveaux types d'application dans le domaine des laboratoires-sur-puce et de la recherche biomédicale. Les travaux présentés dans ce manuscrit visent à créer une nouvelle technologie de puce microfluidique permettant la manipulation électrocinétique tridimensionnelle sans contact de particules colloïdales. Cette technologie innovante associée à la réalisation de particules colloïdales multifonctionnelles (Janus) permet d'étudier et de contrôler les interactions d'un complexe colloïde-cellule. Une technologie originale de puce microfluidique tridimensionnelle transparente présentant des niveaux d'électrodes biplanaires est développée sans couche résiduelle classiquement présente dans les technologies de scellement microfluidique. Parallèlement, de nouveaux types de colloïdes anisotropes (Janus) et multifonctionnels (fluorescents, fonctionnalisés avec des protéines…) sont fabriqués en associant la synthèse colloïdale aux techniques de la microélectronique et à la fonctionnalisation de surface. La compréhension et l'exploitation des forces électrocinétiques créées par un champ électrique alternatif et non-uniforme sur la solution colloïdale confinée dans cette puce permettent de proposer une nouvelle méthode de détermination du facteur de Clausius-Mossotti. Ce facteur est un paramètre intrinsèque à la solution colloïdale qui régit la force diélectrophorétique. La détermination expérimentale de ce facteur, combinée à une analyse théorique pour les solutions colloïdales étudiées, définit les paramètres du champ électrique à appliquer (fréquence, tension) pour localiser, séparer ou manipuler en trois dimensions des particules micrométriques de tout type (particules nu, fonctionnalisées, disymétriques…). Le mélange de ces particules dans des milieux de culture cellulaire contenant des cellules de lignées humaines crée des complexes colloïde-cellule. En fonction du type cellulaire, ces complexes se caractérisent par une cellule ayant internalisé des colloïdes ou une cellule décoré par des colloïdes attachés sur sa membrane. Soumis à des forces électrocinétiques déterminées, ces complexes démontrent des réponses duales des particules et des cellules contrôlables indépendamment. En combinant l'ingénierie des particules colloïdales et la technologie microfluidique de manipulation électrocinétique sans contact, des forces locales peuvent être exercées sur les cellules par l'intermédiaire des particules. / The electrokinetics properties of cells or a particles-cell complex for their individual handling in a microfluidic chip open the way to new applications for lab-on-chip or biomedical research fields. The work presented in this thesis aims to create a new technology of microfluidic chips able to perform 3D electrokinetic contactless handling of colloidal particles. Combined with the microfabrication of multifunctional (Janus) colloidal particles this technological breakthrough allows the study and the control of colloidal particles and cells. An innovative technology of a 3D transparent microfluidic chip that integrates two levels of bi-planar electrodes is developed without any residual layer commonly stacked in microfluidic sealing technology. At the same time, a new type of anisotropic particles (Janus) and multifunctional (fluorescence, functionalized with proteins) are microfabricated by combining colloidal synthesis, microelectronics process and surface functionalization techniques. The understanding and the use of electrokinetic forces that are created by a non-uniform electric field in a colloidal solution confined in this chip enable the access to a new method of determination of the Claussius-Mossotti factor. It is an intrinsic parameter of a colloidal solution that rules the dielectrophoretic force. Its experimental determination, combined with a theoretical analysis of the colloidal solution, defines the parameters of the electric field to apply (frequency, applied voltage) in order to localize, separate or handle in 3D all types of micrometer sized particles (plain, functionalized, dissymmetric). The mixing of particles in cell culture mediums that contain human lines cells creates a particle-cell complex. According to the cellular type, those complexes are characterized by a cell that has internalized particles or is decorated by particles attached on its membrane. Submitted to determined electrokinetic forces, those complexes show dual responses that are controllable on both particles or cell independently. By associating the engineering of colloidal particles and this electrokinetic contactless handling microfluidic technology, local forces can be exerted on cells via those particles.

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.