Au cours des dernières décennies, l'étude des puces microfluidiques capables d'exécuter des processus chimiques et biologiques sur quelques centimètres carrés a été un domaine de recherche actif. De telles plateformes offrent un environnement fermé et contrôlable qui permet une mesure reproductible et évite toute contamination externe. Cependant, ces environnements sont fermés, ce qui empêche l'utilisation de sondes de mesure ou d'effecteurs fixés à l'extérieur de la puce microfluidique. Pour répondre à ce besoin, nous proposons d'utiliser des microrobots rotatifs hélicoïdaux évoluant dans un fluide. Les microrobots proposés sont conçus grâce à la lithographie 3D par laser. Ils présentent une forme hélicoïdale de 5.5 µm de diamètre et environ 50 µm de longueur. Une couche mince ferromagnétique déposée sur ces microrobots permet de les propulser et de les contrôler grâce à un champ magnétique tournant homogène.Le premier défi est l'intégration stable de microrobots à l'intérieur d'un environnement microfluidique. Dans cette thèse, nous avons donc d'abord prouvé que ces microrobots peuvent utiliser leur propre mobilité pour s'intégrer individuellement à l'intérieur d'une puce microfluidique en utilisant un microcanal relié à un réservoir ouvert. Pour cela, nous avons développé un mouvement 3D où le microrobot évolue dans le fluide et deux mouvements 2D où il évolue sur une surface. En passant facilement d'un mouvement à l'autre, les microrobots peuvent utiliser les différents avantages de chaque mouvement pour obtenir une mobilité suffisante à cette intégration. Nous avons nommé ce modèle de microrobot "Roll-to-Swimm"(RTS).Ensuite, pour utiliser un microrobot comme capteur de force sur puce microfluidique, il est nécessaire de caractériser la force générée par l'hélice de chaque RTS. Une méthode de caractérisation est proposée, dans laquelle les différents paramètres d'environnement tels que le flux parasite, le gradient de température et l'impact des surfaces, sont contrôlées avec précision grâce à l'environnement microfluidique. Nous en concluons que le modèle de microrobot "RTS" peut appliquer une force de 10 à 45 piconewton avec une erreur maximale de 38 %. La composante principale de cette erreur (73 %) est due à l'évolution de l'aimantation du RTS. Par conséquent, les efforts visant à réduire cette erreur doivent d'abord se concentrer sur la propriété de magnétisation du RTS. Cette erreur peut également être temporairement réduite en caractérisant la RTS juste avant son utilisation dans une expérience.Enfin, nous présentons trois preuves de concept pour démontrer que notre méthode de caractérisation rapproche les microrobots hélicoïdaux des applications potentielles. Tout d'abord, nous mesurons la diminution de la force du RTS lorsqu'il pousse une microbille. Cette mesure est essentielle pour connaitre la force appliquée par le RTS sur un objet ou pour mesurer l'état de surface en utilisant des billes comme interface. Une microbille de 10 µm de diamètre à la pointe du RTS réduit la propulsion de 6 %. Deuxièmement, nous utilisons la caractérisation du RTS pour mesurer la vitesse locale de l'écoulement dans un canal. Puis nous proposons d'utiliser cette mesure de vitesse pour le contrôle du microrobot grâce à un contrôle automatique du RTS qui adapte le type de mouvement en fonction de la vitesse de l'écoulement. Ce contrôle a été testé expérimentalement avec différentes conditions d'écoulement. Troisièmement, nous utilisons la caractérisation du RTS pour effectuer des simulations numériques afin de trouver une stratégie de contrôle dans des microcanaux de taille inférieure à 20 fois le diamètre du RTS. Le modèle de cette simulation a été validé en comparant ces résultats avec des données expérimentales. Finalement, nous proposons un système de contrôle permettant de maintenir le RTS centré à l'intérieur de microcanaux courbes évoluant en 3D, en utilisant seulement une acquisition d'image en 2D. / Microfluidic chips that could perform chemical and biological processes on a few centimeter square footprint have been an active area of research in the past decades. Among other advantages, this platform offers a closed and controllable environment that allows reproducible measurements and avoids external contamination. However, such closed environments prevent the use of tethered probes to measure or apply a specific force on an element inside the microfluidic chip. Therefore we propose to use a helical rotating microrobot inside a microfluidic chip to answer this need. The proposed microrobots are designed with 3D laser lithography, and have a helical shape of 5.5 µm in diameter and around 50 µm length. A thin ferromagnetic layer is deposited on these microrobots which allows us to propel and control them with a homogenous external rotating magnetic field.The first challenge is the stable integration of these microrobots inside microfluidic environments. Therefore, in this thesis we first proved that these microrobots can use their own mobility to integrate themselves selectively (one by one) inside a microfluidic chip through a microchannel connected to an open reservoir. For this, we have developed a 3D motion where the microrobot evolves in the fluid and two different 2D motions where it evolves on a surface. By switching easily from one motion to another, the microrobots can use the different advantages of each motion to get sufficient mobility required for this integration. We named our microrobot design Roll-To-Swimm (RTS) in reference to this characteristic.Then in order to use a microrobot as on-chip force sensor, a precise characterization of the force generated by the helical shape is necessary for each RTS. A characterization method is proposed, where the different environment parameters (parasite flow, temperature gradient and impact of near surfaces on the flow) are controlled precisely thanks to the microfluidic environment. The characterization shows that the force range of the RTS is between 10 and 45 piconewton with a maximum error of 38 %. We also conclude that the main component of this error (73 %) is due to the evolution of the RTS magnetization. Therefore the efforts to reduce this error should first focus on the magnetization property of the RTS. This error can also be temporarily reduced by characterizing the RTS just before its use in another experiment.Finally, we present three different proofs of concept to demonstrate that our characterization method brings helical microrobots closer to potential on-chip force sensing applications. Firstly, we show that it is possible to measure the diminution of the RTS force when it is pushing a micro spherical bead. This is essential toward applying force on an object with this RTS or to use beads as an interface between the RTS and the surface to measure friction forces. A microbead with 10 µm in diameter at the tip of the RTS reduces it propulsion of 6 %.Secondly, we use the RTS characterization to measure local flow speed. We demonstrate this feature by measuring flow profiles in fluid channels. We show the potential use for of microrobot control by proposing an automatic control of the RTS that adapts the motion to the measured flow. This control has been tested experimentally with different flow conditions. Thirdly, we use the characterization of the RTS to perform numerical simulations in order to find a control strategy in small microchannels. Indeed we demonstrate that for microchannels below 20 times the RTS diameter, the channel walls have an impact on the RTS motions. The model of this simulation has been validated by comparing this result with experimental data. Finally we propose a control scheme for maintaining the RTS centered in a curved microchannel by only using a 2D image feedback.

La microfluidique diphasique permet la production et la manipulation de millions de gouttelettes hautement monodisperses, chacune d'entre elles peut servir de microréacteur indépendant. Cette technologie offre de grandes perspectives dans de nombreux domaines scientifiques et industriels (principalement en biotechnologie). Les gouttelettes peuvent être produites, analysées et manipulées à très haut débit grâce notamment à des méthodes optiques. De nombreuses études ont été menées pour améliorer cette technologie et ses applications mais une compréhension approfondie des processus dynamiques complexes se produisant à l'interface des gouttelettes et du fluide porteur (huile) n'est toujours pas bien comprise. Au cours de cette thèse, nous nous sommes intéressés au développement d’une nouvelle approche optofluidique permettant une meilleure analyse de la dynamique et l'organisation moléculaire aux interfaces des gouttelettes dans l’écoulement microfluidique.Notre première étude porte sur la conception et l'utilisation de surfactants photosensibles permettant de stabiliser les gouttelettes et d’induire ensuite leur fusion contrôlée à l'aide d’un laser UV pulsé. La lumière offrant une grande flexibilité, une accordabilité (longueur d’onde et intensité) et une haute résolution spatio-temporelle. Deux approches ont été développées : l’une basée sur la photolyse de molécules photolabiles (processus irréversible) et l’autre basée sur la photo-isomérisation de dérivées d'azobenzène (processus réversible). Le succès de ces deux approches n’était pas évident, car l’irradiation de l’interface à l’échelle microscopique induit des modifications au niveau de la tension interfaciale mais aussi au niveau des processus de diffusion et d’absorption des molécules tensio-actives à l’interface, chacune de ces étapes ajoute une échelle de temps et une distance caractéristique différente. Nos résultats ont permis de déterminer le coefficient de diffusion des surfactants dans la région de l’interface, ainsi que le véritable mécanisme de fusion des gouttes par photo-isomérisation.La deuxième étude porte sur la détection et l'analyse en temps réel des propriétés optiques de l’interface et ce afin de mieux comprendre sa construction, sa dynamique et l'organisation moléculaire dans l’écoulement hydrodynamique. Nous avons pour cela mis au point un système original de détection hautement sensible à large bande, utilisant un réflecteur parabolique ne nécessitant pas l’utilisation de filtres dichroïques. Nous obtenons ainsi une détection en temps réel ultra-sensible de la photoluminescence des gouttelettes sur une large plage spectrale. Nous avons mis en évidence pour la première fois l’apparition d’une émission anti-stokes, thermiquement activée (hot band emission). Celle-ci est principalement localisée au niveau de l’interface. Notre dispositif pourrait constituer un nouvel outil puissant d’analyse permettant de détecter et d’étudier les interfaces liquides avec une très grande résolution spatiale, temporelle et spectrale sans recourir à des techniques complexes d’imagerie et de microscopie optique. Nous montrons par exemple que, contrairement à la microscopie optique, l’émission anti-stokes mise en évidence permet de détecter la formation de vésicules (émulsion double) en temps réel et à très haut débit.Lors de la dernière étude, nous nous intéressons à la diffusion de colorants à travers des bicouches biomimétiques dans des systèmes microfluidiques. Deux approches ont été abordées, celle des bicouches à l’interface de microgouttes (Droplet Interface Bilayer) et celle des émulsions doubles (eau/huile/eau). Nos résultats préliminaires montrent que de tels systèmes constituent de bons modèles pour l’étude du transport de molécules et de médicaments à travers des membranes biologiques. / Droplet microfluidics offers tremendous applications and prospects in many scientific and industrial fields (mainly in biotechnology). The technology enables for the fabrication and manipulation of millions of highly monodisperse microdroplets, each of which may be regarded as an independent micro-reactor. Droplets may be produced, monitored, and manipulated at kHz rates, using mainly optical (optofluidics) methods. Numerous studies have been conducted to improve the technology but a thorough understanding of the complex fundamental dynamical processes occurring at the droplets interface are still not well understood. During this PhD work, we focused on the development of new optofluidics approaches for a better understanding of the dynamics and the molecular organization at the droplets interface during droplets production and droplets transport in microfluidic channels and chambers (traps).Our first study concerned the design and use of a droplet-stabilizing photoactive surfactant for a controlled merging of droplets using a ps UV-laser. This is particularly attractive approach since light provides flexibility, wavelength/intensity tunability and high temporal/spatial resolutions. We investigated two different methods: photolysis of photolabile molecules (irreversible process) and photo-isomerization of azobenzene derived molecules (reversible process). The success of approach was far from trivial, since illumination at the microscale induces changes not only in the dynamics of the interfacial tension but triggers also changes in diffusion and absorption of surfactant molecules at the droplets interface, each partial step adding a typical time and length-scale. Analysis of the measured merging time (found at the ms time scale) allowed for the determination of the diffusion coefficient of surfactant molecules around the droplet interface. Another important result was the first experimental demonstration of the mechanism of the light-driven merging process using photo-isomerization. It was found to rely on a subtle opto-mechanical process induced by the switching between trans and cis isomers of azobenzene surfactant molecules under illumination.In our second study, we focused on the real-time detection and analysis of the optical properties of dyes at the droplets interfaces, in order to better understand the building, the dynamics and the molecular organization of the droplet interface in the flow. For this aim, we developed an original broadband highly sensitive detection system, using an off-axis full VIS spectrum - collection, reflection and detection scheme. Our setup enables to achieve a real-time detection of droplets photo-luminescence over a large spectral range and at the ms timescale and to show for the first time the occurring of a thermally activated hot band anti-stokes shift emission. The later was found to localize mainly at the droplets interfaces. Based on this original result, we propose that our optofluidic system may serve as a new analysis tool to detect and study soft interfaces without the aid of optical imaging/recording techniques. The observed hot band anti-stokes shift is shown to be suitable for instance to detect and discriminate between flowing droplets and vesicles (or double emulsions) in a real-time and high throughput detection mode.In the last study, we were particularly interested in the study of mass transport and diffusion of dyes across biomimetic bilayers systems. Two major approaches were addressed, the droplet-interface-bilayer (DIB) and solvent evaporated water/oil/water double emulsions. Both techniques required rigorous design and micro-fabrication characterization. Preliminary results show that such systems may lead to the development of smart applications in soft-bio-mimetic membrane’s design, mass transport and drug carriers studies.

Ce travail porte sur la réalisation d'un système d'analyse chimique constitué d'un réseau de micro-chambres abritant des microcapteurs de pH de type transistors à effet de champ à grille suspendue très sensibles aux charges contenues dans l'espace sous le pont-grille. Les transistors à grille suspendue ont été fabriqués en utilisant les procédés de la microtechnologie de surface. Une couche d'isolation finale a été choisie afin de permettre l'utilisation de ces transistors en solution comme capteurs de pH. L'intégration des canaux microfluidiques réalisés en Polydiméthylsiloxane (PDMS) sur les transistors à grille suspendue ont permis d'effectuer une série de mesures de pH, soit en statique, soit en flux continu et de travailler sur les conditions optimales de rinçage des capteurs. L'effet de la hauteur de gap sous le pont de grille sur la sensibilité au pH est présenté. Par ailleurs, de premières mesures dans le domaine fréquentiel ont pu être faites sur des transistors sans et avec les microcanaux en PDMS. Ceci nous a permis d'observer un comportement fréquentiel particulier et dépendant de l'ambiance autour des transistors, et en particulier du pH, ce qui permet de développer une nouvelle méthode de mesure du pH.

Le développement des technologies microsystèmes a permis l'apparition de composants capables de manipuler et d'effectuer des mesures sur des microobjets, en utilisant des techniques variées. Ces travaux présentent une contribution aux outils de manipulation de microobjets, en s'appuyant sur des actionneurs en résine SU8 et des microcanaux gravés dans le silicium.<br />Le premier système proposé est une microsonde en silicium polycristallin et en résine SU8 dotée d'une pointe, dont la fonction est de descendre dans un microcanal et effectuer des mesures électriques sur des microobjets. Après une phase de conception, un compterendu de la fabrication et des tests sont proposés.<br />Cette première étape permet de poursuivre sur un système d'extraction de microobjets d'un milieu liquide vers un milieu sec. Celuici comporte un système de convoyage diélectrophorétique et un actionneur en résine SU8 et or. La conception, la fabrication, et les tests ont permis finalement de démontrer le potentiel en terme d'automatisation d'un tel microsystème.

Le travail réalisé dans cette thèse concerne la mise au point de procédés de fabrication de microbobines essentiellement sur support souple. Deux applications sont spécifiquement visées : le contrôle non-destructif (CND) des matériaux et l'imagerie par résonance magnétique nucléaire. Dans le cas des supports souples, la flexibilité du substrat permet de placer le capteur au plus près de l'élément à caractériser lorsque la surface de celui-ci n'est pas plane et d'augmenter ainsi la sensibilité du dispositif de mesure. L'impact de la technologie sur les performances des microdispositifs élaborés est étudié pour deux types de microbobines : des microbobines planaires et tridimensionnelles. Le procédé de fabrication utilisé met en oeuvre le micromoulage de cuivre. Pour améliorer l'adhérence cuivre/substrat de polymère (Peek ou Kapton), un traitement plasma est effectué avant la croissance de la couche d'amorçage. Les bobines 3D sont obtenues en 2 étapes de micromoulage en utilisant un moule tridimensionnel réalisé en lithographie à niveaux de gris. La réalisation de via par ablation laser et leur remplissage par croissance électrolytique permet d'obtenir des connexions électriques par la face arrière des supports et de diminuer la distance échantillon/capteur. Pour le CND, des microbobines planaires de 40 tours (L ≈ 1 µH ; largeur des pistes : 5 µm) et des microsolénoïdes de 13 tours (L < 1nH) sont réalisés et caractérisés. Les performances électriques obtenues (facteur de qualité Q ≈ 25) sont excellentes et nettement supérieures à celles des dispositifs réalisés sur silicium oxydé (Q ≈ 5). Dans le cadre de l'IRM, les antennes réalisées présentent des diamètres variant de 3 à 15 mm. A 64MHz, les antennes de 15 mm présentent un Q de 80 ce qui constitue un excellent résultat. Une première image au monde utilisant une micro-antenne déformée d'une tumeur implantée chez la souris a été obtenue.

Les travaux de cette thèse se situent dans un contexte de miniaturisation des transducteurs ultrasonores micro-usinés (cMUTs). Ce type de dispositifs est utilisé depuis plusieurs décades dans le domaine de l'imagerie par échographie allant du contrôle non-destructif de structures jusqu'au domaine médical. La quête d'une imagerie hautement résolue nécessite l'utilisation de cMUTs de fréquence de résonance de l'ordre du GHz et de taille micrométrique. L'élément actif de ces cMUts est une membrane suspendue de surface micrométrique. Une étude analytique, basée sur le comportement mécanique des plaques minces, a permis de dimensionner les membranes suspendues et de souligner l'importance d'avoir une épaisseur nanométrique pour avoir un signal émis détectable électriquement. Plusieurs matériaux; à savoir des nanotubes de carbone, du graphène, du graphène oxydé, du DLC (diamond like carbon) et du silicium, ont été mis en œuvre dans la cadre de cette étude pour réaliser des membranes suspendues de taille micrométrique et d'épaisseur nanométrique. Des procédés technologiques propres à chacun de ces matériaux ont été conçus et des membranes d'épaisseurs variant de 2 à 15 nm et de largeurs variant de 1 à 2 µm ont été fabriquées. Une méthode de caractérisation innovante a été mise en place afin d'évaluer les propriétés mécaniques des différentes membranes réalisées. Un protocole de mesure a été développé pour mesurer l'amplitude de déplacement des membranes suspendues sous l'action d'une force électrostatique. Des amplitudes qui atteignent la dizaine de nanomètres ont été mesurées, amplitudes qui correspondent à des variations de capacités électriquement détectables. Plus généralement, ces travaux constituent une preuve solide de la faisabilité des nano-membranes suspendues de taille micrométrique avec un déplacement détectable.

Ce travail porte sur la réalisation d'un système d'analyse chimique constitué d'un réseau de micro-chambres abritant des microcapteurs de pH de type transistors à effet de champ à grille suspendue très sensibles aux charges contenues dans l'espace sous le pont-grille. Les transistors à grille suspendue ont été fabriqués en utilisant les procédés de la microtechnologie de surface. Une couche d'isolation finale a été choisie afin de permettre l'utilisation de ces transistors en solution comme capteurs de pH. L'intégration des canaux microfluidiques réalisés en Polydiméthylsiloxane (PDMS) sur les transistors à grille suspendue ont permis d'effectuer une série de mesures de pH, soit en statique, soit en flux continu et de travailler sur les conditions optimales de rinçage des capteurs. L'effet de la hauteur de gap sous le pont de grille sur la sensibilité au pH est présenté. Par ailleurs, de premières mesures dans le domaine fréquentiel ont pu être faites sur des transistors sans et avec les microcanaux en PDMS. Ceci nous a permis d'observer un comportement fréquentiel particulier et dépendant de l'ambiance autour des transistors, et en particulier du pH, ce qui permet de développer une nouvelle méthode de mesure du pH.

Les travaux de cette thèse se situent dans un contexte de miniaturisation des transducteurs ultrasonores micro-usinés (cMUTs). Ce type de dispositifs est utilisé depuis plusieurs décades dans le domaine de l'imagerie par échographie allant du contrôle non-destructif de structures jusqu'au domaine médical. La quête d'une imagerie hautement résolue nécessite l'utilisation de cMUTs de fréquence de résonance de l'ordre du GHz et de taille micrométrique. L'élément actif de ces cMUts est une membrane suspendue de surface micrométrique. Une étude analytique, basée sur le comportement mécanique des plaques minces, a permis de dimensionner les membranes suspendues et de souligner l'importance d'avoir une épaisseur nanométrique pour avoir un signal émis détectable électriquement. Plusieurs matériaux; à savoir des nanotubes de carbone, du graphène, du graphène oxydé, du DLC (diamond like carbon) et du silicium, ont été mis en œuvre dans la cadre de cette étude pour réaliser des membranes suspendues de taille micrométrique et d'épaisseur nanométrique. Des procédés technologiques propres à chacun de ces matériaux ont été conçus et des membranes d'épaisseurs variant de 2 à 15 nm et de largeurs variant de 1 à 2 µm ont été fabriquées. Une méthode de caractérisation innovante a été mise en place afin d'évaluer les propriétés mécaniques des différentes membranes réalisées. Un protocole de mesure a été développé pour mesurer l'amplitude de déplacement des membranes suspendues sous l'action d'une force électrostatique. Des amplitudes qui atteignent la dizaine de nanomètres ont été mesurées, amplitudes qui correspondent à des variations de capacités électriquement détectables. Plus généralement, ces travaux constituent une preuve solide de la faisabilité des nano-membranes suspendues de taille micrométrique avec un déplacement détectable. / This thesis concerns a context of miniaturization of micromachined ultrasonic transducers (cMUTs). This type of device has been used for decades in the field of ultrasound imaging for the non-destructive testing of structures for example. The quest of a highly resolved imaging requires the use of cMUTs with a resonance frequency in the order of GHz and with a micrometer size. The main part of these cMUts is a suspended membrane with a micrometric surface. An analytical study, based on the mechanical behavior of thin plates, is used for the design of the suspended membranes. This study emphasizes the importance of having a nanometric thickness to obtain a detectable electrical signal. Several materials, namely carbon nanotubes, graphene, graphene oxide, DLC (diamond like carbon ) and silicon have been implemented in this study to make a micron size suspended membranes with a nanometric thickness . Technological processes specific to each of these materials have been designed. Suspended membranes with thicknesses ranging from 2 to 15 nm and widths ranging from 1 to 2 microns were made. A novel method of characterization has been established to evaluate the mechanical properties of our membranes. A measurement protocol has been developed to measure the of displacement of the suspended membrane under the an electrostatic field . Amplitudes reaching ten nanometers were measured. More generally , this study provides a strong proof of the feasibility of suspended micrometer-sized membranes with an electrically detectable signal.

L'électroporation est un procédé physique qui consiste à appliquer des impulsions de champ électrique pour perméabiliser de manière transitoire ou permanente la membrane plasmique. Ce phénomène est d'un grand intérêt dans le domaine clinique ainsi que dans l'industrie en raison de ses diverses applications, notamment l'électrochimiothérapie qui combine les impulsions électriques à l'administration d'une molécule cytotoxique, dans le cadre du traitement des tumeurs. L'analyse de ce phénomène est traditionnellement réalisée à l'aide des méthodes optique et biochimique (microscopie, cytométrie en flux, test biochimique). Elles sont très efficaces mais nécessitent l'utilisation d'une large gamme de fluorochromes et de marqueurs dont la mise en œuvre peut être laborieuse et coûteuse tout en ayant un caractère invasif aux cellules. Durant ces dernières années, le développement de nouveaux outils biophysiques pour l'étude de l'électroporation a pris place, tels que la diélectrophorèse et la spectroscopie d'impédance (basse fréquence). Outre une facilité de mise en œuvre, ces méthodes représentent un intérêt dans l'étude des modifications membranaires de la cellule. De là vient l'intérêt d'opérer au-delà du GHz, dans la gamme des micro-ondes, pour laquelle la membrane cytoplasmique devient transparente et le contenu intracellulaire est exposé. L'extraction de la permittivité relative suite à l'interaction champ électromagnétique/cellules biologiques reflète alors l'état cellulaire. Cette technique, la spectroscopie diélectrique hyperfréquence, se présente comme une méthode pertinente pour analyser les effets de l'électroporation sur la viabilité cellulaire. De plus, elle ne nécessite aucune utilisation des molécules exogènes (non-invasivité) et les mesures sont directement réalisées dans le milieu de culture des cellules. Deux objectifs ont été définis lors de cette thèse dont les travaux se situent à l'interface entre trois domaines scientifiques : la biologie cellulaire, l'électronique hyperfréquence et les micro-technologies. Le premier objectif concerne la transposition de l'électroporation conventionnelle à l'échelle micrométrique, qui a montré une efficacité aussi performante que la première. La deuxième partie du travail concerne l'étude par spectroscopie diélectrique HyperFréquence de cellules soumises à différents traitements électriques (combinés ou non à une molécule cytotoxique). Ces travaux présentent une puissance statistique et montrent une très bonne corrélation (R2 >0 .94) avec des techniques standards utilisées en biologie, ce qui valide 'biologiquement' la méthode d'analyse HF dans le contexte d'électroporation. Ces travaux montrent en outre que la spectroscopie diélectrique hyperfréquence s'avère être une technique puissante, capable de révéler la viabilité cellulaire suite à un traitement chimique et/ou électrique. Ils ouvrent la voie à l'analyse 'non-invasive' par spectroscopie diélectrique HyperFréquence de cellules électroporées in-situ. / Electroporation is a physical process that consists in applying electric field pulses to transiently or permanently permeabilize the plasma membrane. This phenomenon is of great interest in the clinical field as well as in the industry because of its various applications, in particular electrochemotherapy which combines electrical pulses with the administration of a cytotoxic molecule in the treatment of tumors. The evaluation of this phenomenon is raditionally carried out using optical and biochemical methods (microscopy, flow cytometry, biochemical test). They are very effective but require the use of a wide range of fluorochromes and markers, which can be laborious and costly to implement, while being invasive to the cells. In recent years, the development of new biophysical tools for the study of electroporation has taken place, such as dielectrophoresis and impedance spectroscopy (low frequency). In addition to the ease of implementation, these methods are of interest in the study of membrane modifications of the cell. Hence the advantage of operating beyond the GHz, in the range of microwaves, for which the cytoplasmic membrane becomes transparent and the intracellular content is exposed. The extraction of the relative permittivity as a result of the electromagnetic field / biological cell interaction then reflects the cell state. This technique, microwave dielectric spectroscopy, is a relevant method for analyzing the effects of electroporation on cell viability. Moreover, it does not require any use of the exogenous molecules (non-invasive) and the measurements are directly carried out in the culture medium of the cells. Two objectives were defined during this thesis whose work is located at the interface between three scientific fields: cellular biology, microwave electronics and micro-technologies. The first objective concerns the transposition of conventional electroporation to the micrometric scale, which has shown an efficiency as efficient as the first. The second part of the work concerns the study by HighFrequency dielectric spectroscopy of cells subjected to different electrical treatments (combined or not with a cytotoxic molecule). This work presents a statistical power and shows a very good correlation (R2> 0.94) with standard techniques used in biology, which biologically validates the HF analysis method in the context of electroporation. This work also shows that microwave dielectric spectroscopy proves to be a powerful technique capable of revealing cell viability following chemical and / or electrical treatment. They open the way to 'non-invasive' analysis by hyper-frequency dielectric spectroscopy of electroporated cells in situ.

Avec l'avènement des BioMEMS (Bio-MicroElectroMechanical Systems), ce sont toutes les pratiques médicales, biologiques, environnementales et agro-alimentaires qui entament une nouvelle ère. Les enjeux scientifique et industriel se rejoignent dans la miniaturisation des systèmes de détection, l'amélioration de leurs sensibilités et la simplification de leurs procédés de fabrication. Cette thèse hautement interdisciplinaire s'inscrit dans le cadre de ces enjeux. Elle expose la fabrication, la bio-fonctionnalisation et l'application d'un BioMEMS pour l'analyse de réactions enzymatiques en temps réel et à l'échelle micrométrique. Deux choix stratégiques ont été adoptés pour ce travail: le premier concerne l'utilisation de la technologie des plasmas froids ou polymérisation plasma pour la fonctionnalisation de surface à travers le dépôt de films polymères d'allylamine. Ce dépôt a permis ultérieurement l'immobilisation covalente de la trypsine (enzyme modèle protéolytique) au sein du BioMEMS. Cette technologie a été également utilisée pour développer une méthode simple de microfabrication des circuits microfluidiques compatible avec une production à grande échelle. Le second choix concerne l'utilisation de ce bioMEMS autour d'une transduction TeraHertz (THz) mise au point au sein de l'équipe. La spectroscopie THz vise à détecter les événements moléculaires à l'échelle de la picoseconde, sans marqueur et d'une manière non-invasive, en sondant directement les liaisons chimiques de faible énergie. Au cours de ce travail, nous avons donc développé un procédé de fonctionnalisation de surfaces par des amines, optimisé une méthode de greffage des enzymes, et étudié l'activité de la trypsine immobilisée. Nous avons ensuite intégré ces étapes dans le procédé de microfabrication du BioMEMS. Les mesures réalisées dans le domaine sub-THz (0,06-0,11 THz) sur une réaction de biocatalyse confirment la faisabilité d'une telle approche comme méthode analytique en biologie. Les résultats des différentes études montrent également que le mariage des plasmas froids avec les méthodes lithographiques représente une voie efficace, rapide et très compétitive pour le transfert de la technologie des BioMEMS à l'échelle industrielle.