Le microenvironnement apporte une multitude d'informations aux cellules régulant ainsi leurs fonctions et leur organisation. L'objectif de cette thèse a été de contrôler différents paramètres du microenvironnement cellulaire in vitro afin de moduler l'autorenouvellement et la destinée des cellules souches embryonnaires (CSE).Cette thèse comporte 3 parties. Premièrement, des films de polyélectrolytes multicouches à base de poly(L-lysine) et de hyaluronane ont été utilisés comme substrats modulables. Les propriétés mécaniques ainsi que la chimie des films régulent la proportion de sous-populations de CSE qui reflètent soit le stade masse cellulaire interne, soit le stade épiblaste.Dans un deuxième temps, un équilibre entre l'expression des marqueurs embryonnaires de l'axe proximodistal a été mis en évidence dans la culture de CSE. L'emploi de micro-patrons adhésifs permettant de contrôler la géométrie des colonies a révélé l'importance des contraintes topologiques sur la distribution des cellules exprimant le marqueur proximal Brachyury. Enfin, l'action combinée de BMP2 et de wnt3a mimant l'environnement biochimique du stade tardif de la ligne primitive a permis d'isoler une population pure et très précoce de progéniteurs cardiaques SSEA1+ multipotents. / The microenvironment provides stem cells with numerous pieces of information. Biochemical and mechanical cues synergize to regulate cell function and organization. The aim of this PhD thesis was to control specific microenvironmental parameters to modulate embryonic stem cell (ESC) self-renewal and fate.First, poly(L-lysine) and hyaluronan based polyelectrolyte multilayer films were used as tunable substrates. Both mechanical and chemical properties of the films influenced the balance between ESC subpopulations reflecting different embryonic stages (inner cell mass versus epiblast)Second, a dynamic equilibrium was found between the expression of embryonic proximal and distal markers within ESC culture. The uses of micropatterned substrates to control colony shape uncovered a key role for geometrical constraints in the distribution of Brachyury expression.Last, BMP2 was used together with secreted wnt3a to mimic the late streak stage of the embryo and to trigger the differentiation of pluripotent cells towards the cardiogenic mesoderm. Responsive cells could be sorted out based on SSEA1 expression. This purified population represents the earliest ESC derived multipotent cardiac progenitor population identified to date.

Ce travail de recherche porte sur le développement et la mise au point d'un récupérateur d'énergie vibratoire MEMS à transduction capacitive dédié aux applications biomédicales et plus particulièrement aux stimulateurs cardiaques sans sondes autonomes. Cette application impose une miniaturisation poussée (volume inférieur à 1 cm³), une puissance de sortie dans la gamme allant de 1 à 10 µW et une compatibilité vis-à-vis des systèmes d'Imagerie à Résonance Magnétique (IRM). Ces contraintes ainsi que l'effet de la gravité ont été pris en compte sur tout le flot de conception afin d'obtenir un dispositif innovant en technologie MEMS silicium capable de fournir une puissance de sortie suffisante quelle que soit son orientation une fois implanté. Afin de convertir efficacement les battements cardiaques ayant un spectre étendu (de 1 à 50 Hz) pour une amplitude d'accélération faible (inférieure à 1 g), le système emploie des bras de suspension ayant une raideur non-linéaire ce qui permet d'étendre notablement la bande passante effective du système. Cette non-linéarité est ici induite de manière originale en faisant en sorte que la forme initiale des bras de suspension soit une combinaison linéaire des modes de déformée propre d'une poutre doublement encastrée. Un soin particulier a été apporté afin de modéliser ceci dans le but de prédire la réponse mécanique du système quels que soient les stimuli imposés. Afin de réaliser les différents dispositifs de test, une technologie MEMS de type SOG (Silicon-On-Glass) a été développée. Cette technologie permet d'obtenir des structures en silicium monocristallin avec un fort rapport d'aspect tout en limitant le budget thermique et se montre donc compatible avec une éventuelle industrialisation. Ceci a été prouvé via la réalisation de multiples véhicules de test qui se sont montrés totalement fonctionnels. Ainsi la pertinence des modèles théoriques permettant de prédire le comportement non-linéaire des ressorts employés a été prouvée de manière expérimentale. De même, les récupérateurs d'énergie réalisés ont été testés en régime harmonique mais également via des stimuli cardiaques et ont montré une large bande passante avec une puissance de sortie équivalente à celle donnée dans l'état de l'art et ce, quelle que soit leur orientation par rapport à la gravité. / Present work addresses question of MEMS capacitive vibrational energy harvesting for biomedical applications, and notably for powering an autonomous leadless pacemaker system. Such an application imposes several critical requirements upon the energy harvesting system, notably the sufficient miniaturization (<1cm³), power output in range of 1-10 µW, compatibility with Magnetic Resonant Imaging (MRI). This work addresses a problematic of MEMS energy harvester design, simulation, fabrication and characterization fulfilling such a requirement. Moreover, a gravity effect is studied and taken into account in the conception of the device to ensure the power output at various orientations of the harvester. To attain a heartbeat frequencies (1-50 Hz) and acceleration amplitudes (<1g), the use of nonlinear springs is proposed. A nonlinear stiffness is implemented in original way of introducing a natural bending mode shapes in the initial beam form. A mechanical description of bending mode coupling along with its impact on a reaction force of the suspension springs is presented. An innovative clean room technology based on silicon-on-glass (SOG) wafers is developed for the fabrication of the innovative energy harvesters with high width-to-depth aspect ratio. A straightforward and rapid low-temperature process with the possibility of future industrialization is validated by multiple experimental realizations of miniaturized MEMS energy harvesters. Fabricated microsystems are tested mechanically and electrically. Proposed theoretical model of the curved beam is validated with reactive force measurements of the MEMS springs. Energy harvesting experiments are performed for both harmonic and heartbeat mechanical excitations, which demonstrate the large bandwidth in low frequencies domain and a sufficiently large state-of-the-art power output for envisaged application under different orientations with respect to the gravity.

Ce travail de thèse s'est axé autour de deux approches technologiques issues du domaine de la microfabrication pour la sélection et la capture de biomarqueurs circulants dans le sang. A l'échelle moléculaire, un module d'assemblage capillaire dirigé a été implémenté dans un automate de tamponnage moléculaire puis validé en utilisant un modèle simple, permettant l'isolement et l'étirement de biomolécules individuelles de manière entièrement contrôlée et automatisée à large échelle. Nous avons ensuite appliqué cette technologie à des biomarqueurs moléculaires d'intérêt tels que les ADN libres contenus dans du sang complet, démontrant la capacité de la technique à isoler des acides nucléiques dans un fluide complexe contenant de nombreux éléments cellulaires . A l'échelle cellulaire, une approche innovante pour la sélection et la capture de Cellules Tumorales Circulantes a été développée. Le microdispositif mis au point est fabriqué par écriture laser à 3 dimensions et permet le piégeage physique de ces cellules dans du sang complet non traité tout en les préservant pour une récupération et analyse ultérieure. Après adaptation du microdispositif pour maximiser son efficacité de capture in vitro, une première preuve de concept de capture sélective de cellules cancéreuses dans du sang complet non traité a été réalisée. U n premier prototype pour une utilisation in vivo a été mi s au point et validé in vitro sur la capture de cellules cancéreuses dans du milieu de culture. / This research project focused on two technological approaches emerging from microfabrication for the selection and capture of circulating biomarkers from blood. At the molecular scale, this work was based on the automation of a directed capillary assembly protocol. A dedicated module was implemented into an automate for molecular stampin g and validated using a simple molecular model, allowing the elongation and large-scale assembly of single biomolecules in a controlled and automatized manner. The developed technology was then used for the assembly of relevant molecular biomarkers such as cell -free DNA (cf DNA) from untreated whole blood , evidencing the capabilities of this technology to single out nucleic acids from complex fluids composed of other cellular elements. At the cellular scale, an innovative concept for Circulating Tumor Cell s (CTCs) selection and capture was developed . The developed microdevice is fabricated using 30 direct laser writing and allows for a physical capture of cell s from untreated whole blood while preserving them for further recovery and analysis. After having optimized the design in vitro to maximize the capture efficiency of the system, a selective capture of cancer cell s from untreated whole blood was achieved . A first prototype for the in vivo use of this system was also developed and validated in vitro with cancer cells spiked into culture medium.

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

Cette thèse de doctorat porte sur le développement d'un banc de mesure pour la caractérisation thermique de la matière. Les techniques et instruments employés pour la mesure des propriétés thermo-physiques sont nombreux, évoluent constamment et font toujours l'objet de nombreuses recherches. Ils sont néanmoins bien souvent adaptés préférentiellement à un état de la matière et à la mesure spécifique d'un paramètre thermique.Le banc développé repose sur la méthode dite 3-omega, qui consiste à observer la réponse thermique fréquentielle d'un matériau soumis à un flux de chaleur harmonique. Cette technique met à profit l'effet thermo-résistif qui accomplit la transduction du domaine thermique vers le domaine électrique. Elle permet alors de mesurer simplement les variations de température en fonction de la fréquence d'excitation donnant ainsi accès aux propriétés thermo-physiques du milieu étudié.Nous montrons que la méthode 3-omega permet effectivement d'une part de mesurer efficacement la conductivité thermique, mais également d'estimer la capacité thermique isobare. De plus, alors qu'elle a été initialement introduite pour la caractérisation des solides, nous élargissons son champ d'application via un dispositif expérimental adapté et un nouveau type de capteur, pour l'étendre aux autres états de la matière, à savoir les liquides et aux gaz. Le capteur proposé est fabriqué à l'aide des techniques de la micro-électronique et basé sur la technologie du silicium, ce qui permet de réduire ses dimensions et offre des perspectives intéressantes en termes de miniaturisation et d'intégration. / This PhD thesis is devoted to the development of a measurement bench for thermal characterization.Nowadays, sensing techniques and instruments dedicated to this propose are numerous and evolve constantly : they still are an important research area. However, each instrument deals preferentially with one state of matter and measure mostly a unique thermal parameter. This measurement bench uses the so-called 3-omega technique, which consists in the measurement the thermal frequency response of a medium subject to an harmonic thermal heat flux. It is based on the thermo-resistive effect that links the thermal domain to the electrical domain. It therefore gives an easy way to measure the thermal variations in function of the frequency and allows the determination of the thermal properties.Initially introduced for solids, we show that this tool can indeed measure the thermal conductivity but also gives access to thermal capacity. Moreover, we expand its field of applications to other states of matter : liquids and gases.The sensor is fabricated using the microelectronics techniques and uses the silicon technology. That allows to reduce its dimensions and offers interesting prospects in terms of miniaturization and integration.

L'objectif premier de ce projet est la mise au point de procédés de fabrication microélectroniques/microtechnologiques compatibles avec l'utilisation d'un support papier. Pour cela, des techniques comme l'évaporation thermique sous vide, la photolithographie, l'électrodéposition et l'anodisation d'aluminium ont été développées et adaptées à ce support. Des bancs de caractérisations structurels, électriques et flexibles ont été aussi mis en œuvre pour étudier la fiabilité des couches déposées sur un tel substrat. En application, un capteur d'humidité à base d'oxyde d'aluminium flexible a été fabriqué et les tests en humidité ont montré d'excellents résultats permettant de valider le travail effectué. / The primary objective of this project is the implementation of microelectronics/microtechnology processes compatible with the use of paper-based substrate. For this purpose, techniques such as thermal vacuum evaporation, photolithography, electroplating and anodizing aluminum have been developed and adapted to this substrate. Structural, electrical and flexible characterizations benches have also been implemented to study the reliability of the layers deposited on such substrate. A moisture sensor based on flexible aluminum oxide was made and humidity tests have shown excellent results which validate the work.

Cette thèse propose une analyse originale des phénomènes de brisure de gouttes et d'action d'un champ électrique dans un système microfluidique.<br /> Une première partie présente l'étude d'une goutte traversant une jonction microfluidique. Après avoir identifié trois scénarios possibles - dont deux entraînent la brisure - nous proposons<br />une étude quantitative des comportements observés dans l'espace des variables locales puis des paramètres de contrôle. Ces résultats ont été appliqués à l'extraction de phase microfluidique.<br /> Dans une seconde partie, nous étudions l'effet du champ électrique sur une goutte fortement confinée. La pertinence de l'approche théorique bidimensionnelle est établie sur deux expériences modèles qui analysent l'évolution de la forme d'une goutte confinée sous champ et la variation de vitesse d'une goutte soumise à un champ inhomogène. Enfin, nous appliquons ces résultats au contrôle de gouttes dans des systèmes microfluidiques d'architectures variées.

Le but de ce travail de thèse est de réaliser un microswitch magnétique bistable à base d'aimants permanents. De nouveaux designs de tels microswitch ont été dessinés afin d'obtenir à la fois des forces de contact plus élevés et des courants de commutation plus faibles que les systèmes semblables existants déjà. Des logiciels de simulations magnétiques ont été utilisés afin d'évaluer le comportement statique et dynamique de ces micro relais. Des couches épaisses (>1 µm) de matériaux magnétiques durs hautes performances (NdFeB, SmCo) ont été déposées par pulvérisation cathodique triode. Cette technique de pulvérisation permet d'avoir des vitesses de dépôt élevées sur de grandes surfaces. Les conditions de dépôt et de traitements thermiques de ces couches ont été étudiés afin d'obtenir de grandes coercivités, de grandes rémanences et des textures particulières. Enfin, des briques de base technologiques ont été développées afin d'intégrer ces films magnétiques dans un process de microtechnologie et de réaliser finalement de nouveaux microsystèmes magnétiques. Ce travail est inclus dans le projet ANR Nanomag2 dont le but final est de fabriquer des micro-relais RF pour des applications spatiales.

Cette thèse traite de l'étude de microstructures (microsystèmes) pour la réalisation de microrelais électromagnétiques et magnétostrictifs. Ce travail se divise en trois parties. Dans un premier temps, une analyse bibliographique nous permettra d'introduire les microtechnologies et les microsystèmes. Ensuite, cette analyse se focalisera plus spécifiquement sur la problématique du microrelais. Dans une deuxième partie, nous aborderons la première solution étudiée : le microrelais magnétostrictif. Nous montrerons ici le fort potentiel des applications couches minces dans ce domaine, avec le dimensionnement d'un premier prototype. Cette étape passe par le développement d'un premier modèle analytique qui y est présenté. Enfin dans une troisième partie, nous traiterons de l'élaboration de microrelais électromagnétiques à application RF (fonction émission/réception des commutateurs de téléphones cellulaires). Ce travail se décompose en trois parties. Nous traiterons d'abord le dimensionnement mécanique des structures retenues, puis le dimensionnement magnétique (commande, circuit magnétique, etc.). Enfin nous présenterons les réalisations technologiques ainsi que la caractérisation mécanique des structures.

La microfluidique est un domaine très vaste qui étudie les comportements de fluides à l'échelle micrométrique. Grâce aux progrès de la microfabrication, elle suscite un nombre croissant d'applications en biologie ou chimie, et même très récemment en optique. En effet, son utilisation pour réaliser des cristaux photoniques est attractive par rapport aux technologies standards : elle permet une fabrication collective avec des interfaces très lisses. Dans cette perspective, cette thèse propose d'utiliser la microfluidique diphasique pour la fabrication de réseaux stables de microbulles, et pour intégrer de façon simple des fonctionnalités optiques réelles. Nous présentons d'abord la formation de réseaux hexagonaux de microbulles monodisperses de période dans la gamme 5-100 µm, contrôlée par la géométrie et les conditions d'écoulement. La qualité de ces cristaux a été révélée par imagerie de diffraction. Un photopolymère, utilisé comme liquide porteur, a permis l'obtention de structures stables sur plusieurs mois. Nous avons développé une technologie verre-verre qui permet la fabrication de canaux adaptés aux applications optiques : transparents, rigides et chimiquement résistants. Pour démontrer les potentialités de nos systèmes, nous avons réalisé des cristaux de bulles incluant des défauts contrôlés (lacune d'une bulle ou d'une ligne de bulles), éléments clés pour la conception de guides d'ondes ou de résonateurs. Nous utilisons des plots qui excluent les bulles de zones choisies, par compétition entre tension interfaciale et forces hydrodynamiques. Nous avons développé et validé expérimentalement un modèle qui prédit l'efficacité de cette méthode. La génération des microbulles sur puce est prometteuse pour la photonique : elle permet l'auto-organisation des structures avec une rugosité extrêmement faible. L'obtention de périodes comparables à la longueur d'onde est encore nécessaire pour la réalisation de fonctions basées sur les cristaux photoniques. Notre app roche doit permettre cette réduction de taille, car les limites de diffraction inhérentes à la photolithographie interviennent seulement pour la fabrication des canaux et non lors de la formation des bulles. Ce travail constitue donc une nouvelle approche, optofluidique, à la réalisation d'un guide d'onde, un filtre ou un résonateur optique.