Cette thèse concerne la construction d’un microrhéomètre. Il assure la mesure des propriétés viscoélastiques linéaires des fluides complexes sur une large gamme de fréquence (de 1Hz à 100kHz). Afin de répondre à la problématique de mesure des propriétés rhéologiques de petites quantités de fluide pour des gammes de fréquence étendues, la dynamique en milieu liquide des microstructures résonantes en silicium a été analysée. A cette échelle micrométrique, les vibrations de micropoutre dépendent non seulement des propriétés de la microstructure (géométrie, matériaux) mais aussi des propriétés du fluide environnant (densité, viscoélasticité). En effet, de façon schématique, la présence du fluide se traduit par deux phénomènes : un phénomène d’inertie (‘effet de masse’) et un phénomène dissipatif (‘effet de pertes visqueuses’). Ainsi l’analyse de la réponse fréquentielle des microstructures mobiles permet de remonter aux propriétés des fluides en fonction de la fréquence. / Abstrac

Les propriétés viscoélastiques des fluides déterminent leur écoulement. L'étude de ces propriétés a de nombreuses applications industrielles et académiques qui concernent la matière dite " molle " (polymères, colloïdes, tensioactifs, protéines, ...). L'approche proposée permet d'étudier ces propriétés sur une gamme de fréquence allant de 1 à 100 kHz. La méthode utilise la mesure de la vibration d'une microstructure actionnée électromagnétiquement et immergée dans le fluide à caractériser. La réponse en fréquence du système mécanique, mesurée optiquement ou électriquement, est caractéristique du milieu dans lequel la structure est immergée. Une méthode analytique dédiée aux micropoutres, pour l'extraction des propriétés rhéologiques du milieu, a été améliorée tout au long de la thèse. La méthode analytique développée, pour être appliquée, nécessite la précision d'un système optique complexe pour mesurer sans artefact les propriétés mécaniques de l'interaction micropoutre-liquide. Ainsi les liquides opaques ne peuvent être caractérisés avec cette approche. De plus la mesure peut difficilement être intégrée dans un dispositif portable tout-électronique. Afin de pallier ces difficultés et de proposer une mesure de la viscoélasticité en milieu opaque, la stratégie de mesure du capteur jusqu'au traitement des signaux ont été réévalués : (1) des microstructures en " U " ont été fabriquées, (2) une méthode de mesure intégrée a été mise en place et (3) une méthode de traitement à fréquence unique a été utilisée. Finalement, un liquide opaque viscoélastique, le yaourt, a pu être caractérisé in-situ tout au long de la fermentation lactique permettant de démontrer la validité et l'applicabilité de la méthode mise en œuvre pour le suivi en temps réel de la viscoélasticité.

Les propriétés viscoélastiques des fluides déterminent leur écoulement. L'étude de ces propriétés a de nombreuses applications industrielles et académiques qui concernent la matière dite " molle " (polymères, colloïdes, tensioactifs, protéines, ...). L'approche proposée permet d'étudier ces propriétés sur une gamme de fréquence allant de 1 à 100 kHz. La méthode utilise la mesure de la vibration d'une microstructure actionnée électromagnétiquement et immergée dans le fluide à caractériser. La réponse en fréquence du système mécanique, mesurée optiquement ou électriquement, est caractéristique du milieu dans lequel la structure est immergée. Une méthode analytique dédiée aux micropoutres, pour l'extraction des propriétés rhéologiques du milieu, a été améliorée tout au long de la thèse.La méthode analytique développée, pour être appliquée, nécessite la précision d'un système optique complexe pour mesurer sans artefact les propriétés mécaniques de l'interaction micropoutre-liquide. Ainsi les liquides opaques ne peuvent être caractérisés avec cette approche. De plus la mesure peut difficilement être intégrée dans un dispositif portable tout-électronique. Afin de pallier ces difficultés et de proposer une mesure de la viscoélasticité en milieu opaque, la stratégie de mesure du capteur jusqu'au traitement des signaux ont été réévalués : (1) des microstructures en " U " ont été fabriquées, (2) une méthode de mesure intégrée a été mise en place et (3) une méthode de traitement à fréquence unique a été utilisée. Finalement, un liquide opaque viscoélastique, le yaourt, a pu être caractérisé in-situ tout au long de la fermentation lactique permettant de démontrer la validité et l'applicabilité de la méthode mise en œuvre pour le suivi en temps réel de la viscoélasticité.

La métastase des cellules cancéreuses est un processus caractérisé par un comportement de la cellule anormal. Les propriétés mécaniques particulières des cellules cancéreuses est l'une des caractéristiques pathologiques principales. Ces propriétés sont liées à leurs capacités à envahir les tissus avoisinants, à transmigrer et à proliférer vers de nouveaux sites. La progression du cancer est caractérisée par la perturbation et la réorganisation du cytosquelette d'actine ainsi que par des changements des propriétés mécaniques des cellules, probablement liés à la capacité dupliquée des cellules cancéreuses à migrer et à s'adapter à l'environnement.Les propriétés mécaniques sont essentielles pour la régulation des fonctions cellulaires comme la migration, l'adhésion, la prolifération, et la différentiation, et les anomalies sont associées aux pathologies, en particulier le cancer. Les propriétés mécaniques sont aussi dépendantes du micro-environnement de la cellule, et la rigidité des substrats modifie les propriétés mécaniques internes des cellules, ainsi que la structure du cytosquelette. Ainsi, comprendre les processus impliqués dans les variations des propriétés viscoélastiques est essentiel pour l'étude de la progression des tumeurs.La microscopie à force atomique (AFM) a prouvé être un outil fiable pour sonder les propriétés mécaniques statiques et dynamiques (sur de grande gamme de fréquence) de matériaux mous, comme les spécimens biologiques, à de petites échelles et grande résolution.Dans cette étude, nous proposons de nouveaux marqueurs du cancer basé sur une approche mécanobiologique. Les propriétés viscoélastiques de cellules cancéreuses de la vessie sont mesurées par des expériences d'indentation dynamiques par AFM. Cette méthode est validée en utilisant des gels de polyacrylamide et un modèle à fractions dérivées est proposé pour décrire le comportement mécanique de ces gels. Ensuite, le module de cisaillement complexe de trois lignées cellulaires à potentiel métastatique différent est mesuré à trois positions différentes de la cellule: le noyau, le périnoyau et la périphérie de la cellule. En utilisant des drogues d'inhibition de l'actine, les propriétés mécaniques sont corrélées à la microstructure de l'actine obtenue par microscopie confocale. Nous proposons un modèle simplifié pour décrire le comportement des modules élastiques G' et visqueux G''. Une relation entre l'invasivité des cellules cancéreuses et leur propriétés mécaniques est aussi mis en avant. En particulier, nous trouvons que le plateau élastique et la fréquence de transition (quand G'=G'') peuvent être utilisés comme marqueurs d'invasivité. Enfin, nous mesurons le module de cisaillement complexe de cellules cancéreuses adhérentes sur des environnements mécaniques et biologiques différents, et des propriétés intrigantes de la périphérie des cellules cancéreuses sont reportées. / Cancer cell metastasis is a multi-stage process characterized by cell malfunctional behavior. Some of the major pathological characteristics of cancer cells are their particular mechanical properties which are linked to their ability to invade surrounding tissues, transmigrate and proliferate at new sites. There are evidences that cancer progression is characterized by disruption and reorganization of the actin cytoskeleton as well as changes in the mechanical properties. This change is probably associated with the enhanced capability of cancer cells to migrate and adapt to changing environments.The mechanical properties are essential for the regulation of cell functions like migration, adhesion, proliferation and differentiation, and abnormalities are connected with pathologies, in particular cancer metastasis. The mechanical properties are also dependent on the micro-environment of the cell, as substrate stiffness changes cell internal mechanical properties, as well as the cytoskeleton structure. Thus, the understanding of the mechanics involved in the variation of the viscoelastic properties is crucial for the study of tumor progression.Atomic force microscopy (AFM) has proved to be a reliable tool to probe static and frequency–dependent mechanical properties of soft materials, like biological specimens, at small scale with high resolution.In this study, we propose new markers of cancer metastasis based on a cell mechanics approach. We report on the viscoelastic properties of human bladder cancer cells measured by dynamic indentation experiments using AFM. This method is first calibrated using polyacrylamide gels and a fractional model is proposed to describe the behavior of such gels. We then investigate the complex shear modulus of three different cell lines with different metastatic potential. We probe the elastic G' and viscous G'' modulus at three different locations across the cell: nucleus, perinucleus and the cell periphery. With the use of actin inhibitory drugs, we correlate mechanical properties and the actin microstructure obtained by confocal microscopy imaging. We propose a simplified power-law model to describe the behavior of the elastic and viscous moduli. We also report a relationship between the malignancy of cancer cells and their viscoelastic properties. In particular, we find that the elastic plateau modulus and the transition frequency (frequency at which G' = G'' ) can be used as markers of invasiveness. Then, we probe the complex shear modulus of cancer cells on different mechanical and biological environments and we report intriguing properties of the periphery of cancer cells.

Les propriétés viscoélastiques des fluides déterminent leur écoulement. L’étude de ces propriétés a de nombreuses applications industrielles et académiques qui concernent la matière dite « molle » (polymères, colloïdes, tensioactifs, protéines, ...). L’approche proposée permet d'étudier ces propriétés sur une gamme de fréquence allant de 1 à 100 kHz. La méthode utilise la mesure de la vibration d’une microstructure actionnée électromagnétiquement et immergée dans le fluide à caractériser. La réponse en fréquence du système mécanique, mesurée optiquement ou électriquement, est caractéristique du milieu dans lequel la structure est immergée. Une méthode analytique dédiée aux micropoutres, pour l’extraction des propriétés rhéologiques du milieu, a été améliorée tout au long de la thèse.La méthode analytique développée, pour être appliquée, nécessite la précision d’un système optique complexe pour mesurer sans artefact les propriétés mécaniques de l’interaction micropoutre-liquide. Ainsi les liquides opaques ne peuvent être caractérisés avec cette approche. De plus la mesure peut difficilement être intégrée dans un dispositif portable tout-électronique. Afin de pallier ces difficultés et de proposer une mesure de la viscoélasticité en milieu opaque, la stratégie de mesure du capteur jusqu’au traitement des signaux ont été réévalués : (1) des microstructures en « U » ont été fabriquées, (2) une méthode de mesure intégrée a été mise en place et (3) une méthode de traitement à fréquence unique a été utilisée. Finalement, un liquide opaque viscoélastique, le yaourt, a pu être caractérisé in-situ tout au long de la fermentation lactique permettant de démontrer la validité et l’applicabilité de la méthode mise en œuvre pour le suivi en temps réel de la viscoélasticité. / The study of viscoelastic properties has many industrial and academic applications related to "soft matter" like polymers, colloids, surfactants or proteins. The present approach measures these properties in a frequency range from 1 to 100 kHz. The method uses the measurement of the vibration of a microstructure actuated electromagnetically and immersed in the fluid that has to be characterized. The frequency response of the mechanical system, which is measured optically or electrically, is characteristic of the environment in which the structure is immersed in. An analytical method dedicated to microcantilevers for the extraction of the rheological properties has been improved during this PhD thesis.The analytical method developed requires the accuracy of a complex optical system for measuring without artifact the mechanical properties of microcantilever-liquid interaction. Thus opaque liquids cannot be characterized with this sytem. In addition, the measurement cannot easily be integrated. To overcome these difficulties and provide the measurement of viscoelasticity into opaque medium, some strategy was reassessed: (1) “U” shaped microstructures were fabricated; (2) an integrated measurement method was developed and (3) a single frequency method was used to calculate the viscoelasticity.Finally, a viscoelastic and opaque liquid, such as yogurt, has been characterized in situ during the lactic fermentation to demonstrate the validity and the applicability of the method for the real-time monitoring of viscoelasticity.

Pendant le développement d'un organisme, les tissus subissent, génèrent des changements morphologiques drastiques nécessaires à l'obtention d'une forme finale ou intermédiaire spécifique et fonctionnelle. On comprend cette acquisition de formes comme un phénomène émergent résultant de l'interaction mécanique entre toutes les cellules composant le tissu. On sait que les structures de protéines du cytosquelette sont capables aussi bien de générer des forces ou de changer les propriétés mécaniques des cellules i.e de changer la réaction de celles-ci à un stress mécanique. Ces phénomènes émergents font l'objet de nombreuses études et mesures aussi bien lors d'expériences in vitro (solution de protéines purifiées) que sur cellules de cultures. Le travail décrit dans cette thèse s'est attaché à mesurer quantitativement les forces et propriétés mécaniques in vivo durant le développement d'un organisme. À terme, ces mesures sont utiles à l'élaboration d'un modèle mécanique qui amènerait une meilleure compréhension des phénomènes morphogénétiques.Pour réaliser ces mesures, un banc de mesures optiques a été développé. Il permet de réaliser des mesures de microrhéologie passives et actives durant l'extension de la bandelette germinale de l'embryon de drosophile. Des mesures quantitatives de viscosité, de raideur et de force jonctionnelle ont été réalisées. / Pendant le développement d'un organisme, les tissus subissent, génèrent des changements morphologiques drastiques nécessaires à l'obtention d'une forme finale ou intermédiaire spécifique et fonctionnelle. On comprend cette acquisition de formes comme un phénomène émergent résultant de l'interaction mécanique entre toutes les cellules composant le tissu. On sait que les structures de protéines du cytosquelette sont capables aussi bien de générer des forces ou de changer les propriétés mécaniques des cellules i.e de changer la réaction de celles-ci à un stress mécanique. Ces phénomènes émergents font l'objet de nombreuses études et mesures aussi bien lors d'expériences in vitro (solution de protéines purifiées) que sur cellules de cultures. Le travail décrit dans cette thèse s'est attaché à mesurer quantitativement les forces et propriétés mécaniques in vivo durant le développement d'un organisme. À terme, ces mesures sont utiles à l'élaboration d'un modèle mécanique qui amènerait une meilleure compréhension des phénomènes morphogénétiques.Pour réaliser ces mesures, un banc de mesures optiques a été développé. Il permet de réaliser desmesures de microrhéologie passives et actives durant l'extension de la bandelette germinale de l'embryon de drosophile. Des mesures quantitatives de viscosité, de raideur et de force jonctionnelle ont été réalisées.

L'objectif de cette thèse est de caractériser l'influence de facteurs protéiques sur la dynamique du cytosquelette cellulaire au moyen d'outils de micromanipulation contrôlés. Nous avons déterminé la réponse microrhéologique du réseau d'actine pour des cellules uniques. Nous avons appliqué grâce à un système de pinces optiques des forces statiques et oscillantes à des microbilles de verres attachées de manière spécifique au réseau d'actine de divers types cellulaires. Dans le cas statique nous avons mesuré des modules élastiques dans la gamme 29

L'objectif de cette thèse est de caractériser l'influence de facteurs protéiques sur la dynamique du cytosquelette cellulaire au moyen d'outils de micromanipulation contrôlés. Nous avons déterminé la réponse microrhéologique du réseau d'actine pour des cellules uniques. Nous avons appliqué grâce à un système de pinces optiques des forces statiques et oscillantes à des microbilles de verres attachées de manière spécifique au réseau d'actine de divers types cellulaires. Dans le cas statique nous avons mesuré des modules élastiques dans la gamme 29

Ces travaux de thèse présentent une étude expérimentale des fluctuations d'une particule Brownienne soumise à deux différentes conditions hors-équilibre dans un fluide . Le but est de comprendre d'une manière générale la relation entre les fluctuations spontanées, la fonction de réponse linéaire et la production totale d'entropie des processus loin de l'équilibre thermique. La première partie est consacrée à l'étude du mouvement d'une particule colloïdale dans un état stationnaire périodique hors-équilibre induit par une force non-conservative et à sa réponse à une perturbation externe. Nous analysons la dynamique du système dans le contexte des différentes approches généralisées de fluctuation-dissipation. Nous montrons que ces relations théoriques sont satisfaites par les données expérimentales quand on prend en compte le rôle du courant du à la rupture du bilan détaillé. Dans une deuxième partie nous étudions les fluctuations et la réponse d'une particule Brownienne dans deux types de bains vieillissants qui relaxent vers l'équilibre thermique: un verre colloïdal de Laponite et une solution aqueuse de gélatine. Dans ce cas-là nous montrons que le flux de chaleur de la particule vers le bain pendant sa relaxation représente une correction hors-équilibre du théorème de fluctuation-dissipation. Donc, le flux de chaleur joue le même rôle que le courant dans un état stationnaire. En conséquence, les résultats de la thèse mettent en évidence l'importance générale de la production totale d'entropie pour quantifier les relations de fluctuation-dissipation généralisées dans les systèmes hors-équilibre.

La cellule est capable, en consommant l'énergie issue de l'hydrolyse de l'ATP, d'exercer des forces qui prennent leurs origines dans des réactions biochimiques. Un élément important de la cellule est le cytosquelette, composé principalement de microtubules et de filaments d'actine, il en constitue l'architecture et lui donne l'essentiel de ses propriétés mécaniques. Il est composé de polymères réticulés et, du point de vue de la rhéologie, a un comportement viscoélastique. Au sein du cytosquelette, des processus tels que la polymérisation de l'actine ou des microtubules permettent d'exercer des forces. Des protéines, de la famille des moteurs moléculaires, ont pour rôle spécifique de convertir l'énergie stockée sous forme chimique en énergie mécanique. L'activité mécanique hors-équilibre de la cellule est donc directement reliée à ces forces d'origine biochimique. Dans ce travail, nous avons étudié la distribution statistique des forces d'origine biochimique s'exerçant sur une bille de taille micrométrique attachée au cortex d'actine par l'intermédiaire de récepteurs de l'adhésion cellulaire : les intégrines. L'étude des forces d'origine biologique est inséparable de la connaissance des forces d'origine thermique car à cette échelle microscopique la contribution des forces thermiques n'est pas négligeable. Les forces s'exerçant sur la sonde ont deux origines possibles : biologique ou thermique. Notre approche expérimentale est basée sur la combinaison de deux techniques de microrhéologie, active et passive, ce qui nous permet de calculer la fonction d'autocorrélation temporelle des forces exercées sur une sonde accrochée à l'actine corticale et de la comparer à la fonction d'autocorrélation des forces thermiques estimée via le théorème de fluctuation-dissipation. La différence entre ces deux spectres nous donne une idée de la contribution des forces d'origine biologique au mouvement de la bille et une mesure de l'écart du système à l'équilibre thermodynamique. Afin d'étudier plus en détail ce système de bille subissant des forces de la part de l'actine corticale, nous avons étudié l'effet de la variation de la densité de ligand recouvrant la bille. La question qui nous a animés tout au long de ce travail est l'origine de ces forces biologiques ou plus exactement la nature du composant du cytosquelette qui exerce ces forces athermiques. Dans un premier temps, nous avons étudié l'influence de la température sur ces forces biologiques. Nous avons ensuite étudié l'effet de la déplétion de l'ATP dans la cellule, de la dépolymérisation de l'actine et de l'inhibition des moteurs moléculaires de la famille des myosines.