Cette thèse, intitulée « Emulsification en systèmes microstructurés », s’inscrit au sein de la tâche « Emulsification contrôlée » du projet européen IMPULSE. Deux micromélangeurs en acier inoxydable, un V-type et un Caterpillar, ont été testés en utilisant un pilote d’émulsification continue. Ces dispositifs conçus en acier inoxydable et fonctionnant comme des boîtes noires, des micromélangeurs transparents ont ensuite été utilisés afin de comprendre leurs mécanismes d’émulsification. Les paramètres-clés intervenant dans la formation de gouttes à un orifice à l’échelle macroscopique ont dans un premier temps été identifiés. A l’échelle microscopique, la formation des gouttelettes dans le micromélangeur V-type est issue de la mise en contact des jets des phases aqueuse et organique formés à la sortie de ce dispositif et d’un phénomène élongationnel avec des instabilités interfaciales. Dans le cas du Caterpillar, la taille des gouttelettes dépend de la géométrie interne des éléments en série de ce micromélangeur. La formation des gouttelettes est issue d’un phénomène de cisaillement au niveau de la jonction en Y. La réduction de la taille de ces gouttelettes est ensuite due à leur passage dans les éléments de mélange. L’utilisation de micromélangeurs transparents a, quant à elle, permis de caractériser davantage ces deux micromélangeurs par micro-PIV et caméra rapide. Enfin, une dépendance du diamètre des gouttelettes par rapport à l’énergie dissipée est constatée pour le Caterpillar mais par pour le V-type. L’énergie dissipée dans ces deux micromélangeurs semble être moindre et les émulsions formées de meilleure qualité par rapport aux procédés classiques d’émulsification / This thesis, entitled “Emulsification in micromixers” was carried out within the framework of the Task “Controlled Emulsification” of the European IMPULSE project. Two micromixers in stainless steel, the V-type and the Caterpillar, were tested in an experimental setup. These microdevices working as black boxes, transparent micromixers were used after to gain insight into the fundamental mechanisms for emulsification. Firstly, the key parameters enabling the drop formation at macroscopic scale were identified. At microscopic scale, the droplet formation in the V-type micromixer results from the contact of aqueous and organic phases jets at the outlet of the microdevice and from elongational phenomena with interfacial instabilities. In the case of the Caterpillar, the droplets size depends on the internal geometry of the microdevice. The droplet formation can be mainly attributed to the shearing phenomena at the Y-junction. The decrease of the droplets’ size is then due to their passage through the mixing elements in series in the outlet channel. Moreover, the use of transparent micromixers allows to characterize these two micromixers by the micro-PIV and high speed camera. A straightforward relationship between the energy dissipation and the size of droplets was established for the Caterpillar, but not for the V-type. Moreover, the energy dissipation within these two micromixers is lower and the emulsions obtained having a more satisfactory quality than in the case of the classical emulsification processes

La fluidique est un outil offrant des avantages industriels notamment en termes de sécurité grâce à un meilleur contrôle thermique mais aussi une diminution des risques due à un engagement de volumes faibles. Cette technologie permet des réactions chimiques plus efficaces grâce à un système plus homogène qui impacte les rendements, la sélectivité ou encore la quantité de réactifs nécessaire. Aujourd’hui, la production de principes actifs pharmaceutiques est réalisée majoritairement en procédé batch. Ainsi, dans une première partie, la microfluidique a été appliquée à la synthèse d’un principe actif pharmaceutique. Les diverses étapes réactionnelles ainsi que les paramètres physiques du système ont été optimisés avec l’utilisation de micromélangeurs. Un procédé multi-étapes a été développé avec une productivité atteignant 100 g.h-1. Des productions ont été réalisées validant les tests préliminaires ainsi que la possibilité de production du principe actif pharmaceutique en continu.Les dérivés du bore sont quant à eux des intermédiaires réactionnels couramment utilisés pour leurs réactivités en synthèse organique. Ainsi, dans une seconde partie, la réaction de borylation électrophile a été étudiée, et plus spécifiquement la synthèse des oxa et des azaborinines grâce au complexe diisopropylamine borane (DIPAB) utilisé comme agent de borylation. Ces dernières molécules ont ensuite été fonctionnalisées grâce à des réactions d’oxydation, d’amination ou d’halogénation. / Fluidic devices offer industrial advantages especially in terms of security due to a better thermal control and a minimization of risks with lower volumes involved. This technology increases chemical reaction efficiencies thanks to a more homogeneous system which affects yields, selectivity and reagent quantities. Nowadays, pharmaceutical active principles are still predominantly produced using batch. Thus, in a first part, microfluidic has been applied to the synthesis of an active pharmaceutical ingredient. Each reaction step as well as the physical parameters of the system have been optimized by using a micromixer. A multi-step process has been developed with a productivity up to 100 g.h-1. Productions have been realized thereby validating preliminary studies including the possibility to produce the active pharmaceutical ingredient.Boron derivatives are chemical intermediates commonly used in organic synthesis for their reactivity. In a second part, electrophilic borylation reaction has been studied with the synthesis of oxa and azaborinins compounds as targets and the use of diisopropylamine borane complex (DIPAB) as a borylation agent. These molecules have then been functionalized through the use of oxidation, amination or halogenation reactions.

Pour fixer en parallèle des milliers de biomolécules (ADN, ARN, protéines, etc.) à la surface des puces à ADN ou àprotéines, il faudrait choisir parmi une multitude de méthodes, selon la biomolécule à fixer et la nature du support, elle-mêmeconditionnée par la méthode de détection utilisée. Jusque-là, l'immobilisation de biomolécules sur une puce en utilisantla microfluidique continue présentait l'avantage d'un greffage en mode dynamique. Dans ce mode, les biomolécules sontcontinuellement transportées, via des microcanaux, à proximité de la puce. La volonté continue d'augmenter le nombredes zones immobilisées nécessite l'emploi de la microfluidique discrète pour cette fonction biologique. En effet, en modespotting (simple dépôt de gouttes contenant les biomolécules) le nombre de zones immobilisées est uniquement limité parle volume de liquide minimum pouvant être déposé. Cependant, en choisissant cette méthode fluidique, il fallait, jusque là,renoncer à une réaction en mode dynamique : le greffage s'effectue ainsi en mode passif. Ces travaux de thèse présententune méthode pour créer une dynamique à l'intérieure des gouttes porteuses des biomolécules durant l'opération de greffagemoléculaire. Nous avons choisi d'utiliser un générateur de vibration de basse fréquence permettant d'induire simultanémentdes écoulements dans plusieurs gouttes. De la conception, la réalisation et la caractérisation des générateurs de vibration àla caractérisation et la modélisation de l'écoulement induit par ce dispositif dans le liquide, ou encore à la caractérisation del'opération biologique visée, nous démontrons l'efficacité des vibrations basses fréquences dans ce domaine.

L’objectif de ce travail fut de développer et d’étudier les performances d’un microprocédé basse pression à écoulement élongationnel pour la production de nanoémulsions polymérisables de tailles contrôlées et de distributions de taille étroites. Le diamètre des nanogouttelettes a pu être précisément ajusté dans la gamme 50-300 nm en modifiant simplement les paramètres de procédé : le débit réciproque au travers du micromélangeur, le nombre de cycles et la dimension caractéristique du microcanal. Les nanoémulsions produites furent, dans une seconde étape, polymérisées par voie thermique ou par irradiation UV afin de générer des suspensions colloïdales de nanoparticules de polymère de tailles également contrôlées (87-360 nm). Un monomère, un agent de réticulation ainsi qu’un amorceur thermique ou photochimique appropriés furent par la suite ajoutés au milieu continu de ces nanosuspensions. Les solutions résultantes servirent comme phases dispersées dans des générateurs microfluidiques de gouttelettes à capillaires. Les microgouttelettes de taille contrôlée ainsi produites furent polymérisées en ligne par irradiation UV pour donner lieu à des microsphères ou à des microparticules coeur-écorce composites de polymère toutes deux dopées avec des nanoparticules de polymère. Des microparticles composites et hydrides comportant des nanoparticules d’or dans le coeur et d’argent dans l’écorce furent également obtenues grâce à la réduction photochimique in situ des sels précurseurs lors de la photopolymérisation des microgouttelettes. Ce travail a démontré l’efficacité d’un nouveau dispositif microfluidique basse énergie pour la production de nanoémulsions et leur emploi pour la synthèse de matériaux polymères morphologiquement complexes. / The aim of this work was to develop and to study the performances of a low pressure elongational-flow microprocess for the production of size-controlled polymerizable nanoemulsions with narrow size distributions. Nanodroplets diameter was easily tuned in the size range 50-300 nm by varying the process parameters, namely the reciprocating flow rate through the micromixer, the number of cycles and the characteristic dimension of the microchannel. Obtained nanoemulsions were in a second step thermally or UV-assisted polymerized to give colloidal suspensions of size-tunable polymer nanoparticles (87-360 nm). Then, a proper monomer, crosslinker and thermal- or photo-initiator were added to the continuous phase of these nanosupensions. The resulting mixtures were used as the dispersed phases of two different capillaries-based microfluidic droplet generators. The produced sizecontrolled microdroplets were finally UV polymerized online and plain as well as core-shell composite polymeric microparticles doped with lower scale polymer nanoparticles were obtained. Composite/hybrid polymeric core-shell microparticles were also synthesized for which gold nanoparticles in the core and silver nanoparticles in the shell were synthesized in situ from their salt precursors during microdroplets polymerization. This work has demonstrated the high efficiency of a novel low energy microfluidic emulsification device for the production of nanoemulsions which were used for the synthesis of morphologically complex polymeric materials.

Pour fixer en parallèle des milliers de biomolécules (ADN, ARN, protéines, etc.) à la surface des puces à ADN ou àprotéines, il faudrait choisir parmi une multitude de méthodes, selon la biomolécule à fixer et la nature du support, elle-mêmeconditionnée par la méthode de détection utilisée. Jusque-là, l’immobilisation de biomolécules sur une puce en utilisantla microfluidique continue présentait l’avantage d’un greffage en mode dynamique. Dans ce mode, les biomolécules sontcontinuellement transportées, via des microcanaux, à proximité de la puce. La volonté continue d’augmenter le nombredes zones immobilisées nécessite l’emploi de la microfluidique discrète pour cette fonction biologique. En effet, en modespotting (simple dépôt de gouttes contenant les biomolécules) le nombre de zones immobilisées est uniquement limité parle volume de liquide minimum pouvant être déposé. Cependant, en choisissant cette méthode fluidique, il fallait, jusque là,renoncer à une réaction en mode dynamique : le greffage s’effectue ainsi en mode passif. Ces travaux de thèse présententune méthode pour créer une dynamique à l’intérieure des gouttes porteuses des biomolécules durant l’opération de greffagemoléculaire. Nous avons choisi d’utiliser un générateur de vibration de basse fréquence permettant d’induire simultanémentdes écoulements dans plusieurs gouttes. De la conception, la réalisation et la caractérisation des générateurs de vibration àla caractérisation et la modélisation de l’écoulement induit par ce dispositif dans le liquide, ou encore à la caractérisation del’opération biologique visée, nous démontrons l’efficacité des vibrations basses fréquences dans ce domaine. / Development of Lab-On-Chip devices is expected to dramatically change biochemical analyses, allowing notable increaseof processing quality and throughput provided the induced chemical reactions are well controlled. In this work, weinvestigate the impact of local acoustic mixing to promote or accelerate such biochemical reactions, such as antibodygrafting on activated surfaces. To do that, we propose an acoustic micromixer using low frequency vibration that generatesa parallel mixing in droplet matrix. The present study details on one hand the conception, realization and characterizationof the micromixer. On the other hand, it concerns the characterization and modelisation of the generated vibration interactionwith droplet.We prove the efficiency of low frequency vibration for drop mixing and its impact on biological reactions