Le champ d'application des microsystèmes n'a cessé de s'élargir pendant les quinze dernières années en particulier vers la communication ou vers les biotechnologies. Pour augmenter les fonctionnalités des microsystèmes, l'utilisation de nano-objets semble devenir une voie incontournable, mais qui butte souvent sur des problèmes mes de manipulation spatiale visant à les intégrer dans une architecture fonctionnelle. Pour résoudre ces problèmes d'intégration, l'utilisation de phénomènes d'assemblage dirigé, c'est à dire des phénomènes physiques permettant de manipuler collectivement des nano-objets semble très prometteuse. Dans ce contexte, l'objectif de notre thèse a été de concevoir des outils fluidiques innovants capables de réaliser des opérations de manipulation spatiale ou conformationnelle de nano-objets ou de molécules. Il s'agit d'une recherche pluridisciplinaire à la frontière entre la micro- et nano-fabrication, la micro- et nano-fluidique, la biologie moléculaire, l'imagerie de molécules individuelles, et la biophysique. La thèse est composée de deux projets assez indépendants : une étude de nanofluidique pour le contrôle conformationnel de chromosomes issus de cellules vivantes, et un travail de microfluidique sur un phénomène d'assemblage spontané sur gel hydrophile. Dans un premier temps, nous décrivons un procédé de fabrication d'hydrogels structurés, et nous montrons que ces hydrogels constituent un support efficace pour organiser spatialement des nano-objets. Ce phénomène d'organisation est spontané, et il se produit lors du séchage du liquide. Nous avons donc voulu comprendre les mécanismes fluidiques ayant lieu au cours du séchage en utilisant des traceurs fluorescents. Nous identifions plusieurs phénomènes expliquant les phénomènes d'organisation spatiale de particules, et nous proposons des applications pour ce procédé innovant. Grâce aux dispositifs nanofluidiques que nous avons fabriqués, nous menons des expériences de manipula tion de molécules d'ADN individuelles en milieu confiné. Nous analysons le comportement de l'ADN - son élongation, sa mobilité, l'effet de la salinité, le rôle du matériau dans lesquels le nanocanaux sont inscrits - en utilisant deux modes d'actionnement, à savoir l'électrophorèse et l'hydrodynamique, et nous montrons, pour la première fois, l'intérêt de l'hydrodynamique pour la manipulation d'ADN dans des nanostructures. Nous proposons enfin quelques applications pour ce procédé de manipulation d'ADN innovant.

L'évolution de notre société est spectaculaire. Les nouvelles technologies apportent sans cesse des bouleversements dans nos vies, dont nous n'avons d'ailleurs pas toujours conscience tellement ces changements sont rapides et naturels. Qui aujourd'hui ne possède pas un téléphone portable extra miniature, possédant de multiples fonctionnalités intégrées: appareil photo, boussole, loupe...? Qui n'a pas entendu parlé des progrès phénoménaux réalisés en médecine avec, par exemple, la technique d'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) ou encore l'utilisation par les chirurgiens d'outils extrêmement précis, assistés par ordinateur? Parmi ce contexte très général de révolutions technologiques, ma simple contribution se situe dans le développement de microsystèmes hyperfréquences, que ce soit :  pour les communications et transfert d'informations avec des modules toujours plus performants et agiles (multifonctionnalité),  et plus récemment pour les domaines de la biologie et du médical avec le développement de systèmes d'analyse par ondes électromagnétiques hautes fréquences. La démarche scientifique adoptée vise à établir, grâce aux microtechnologies, de nouvelles perspectives d'exploitation des microsystèmes hyperfréquences, au-delà des technologies conventionnelles. Ceci commence par l'élaboration de circuits passifs à fort coefficient de qualité, leur intégration tridimensionnelle vers toujours plus de miniaturisation et fréquences de fonctionnement plus élevées, l'évaluation de matériaux inédits (notamment à base de nanotubes de carbone) qui apportent de nouvelles possibilités aux concepteurs HF, de concepts innovants de composants à forte reconfigurabilité, que ce soit par une approche mécanique avec les MEMS RF, ou encore avec des liquides, jusque de nouvelles applications pour les domaines de la biologie et du médical, l'environnement et même l'agro-alimentaire.

Les sciences de la vie et de la santé sont aujourd'hui au centre d'intérêts scientifiques et économiques. Les aspects économiques sont présidés par le développement de nouveaux outils de diagnostic fiables, reposant sur des mesures parallélisées d'interaction moléculaires au niveau de l'ADN ou des protéines. L'intérêt scientifique est très pluridisciplinaire, car les mécanismes de la vie impliquent des réactions physico-physiques multiples, que l'on aborde avec des technologies nouvelles et des approches de modélisation encore à développer. Dans ce panorama, les micro- et nano-technologies sont appelées à apporter de nouvelles solutions car elles permettent de manipuler des cellules ou des molécules avec une grande précision temporelle et spatiale. Elles sont en outre complémentaires avec les outils classiques de la biologie cellulaire et moléculaire, qui permettent des analyses sur des échantillons de grande dimension. Pourtant les exemples de succès scientifiques à l'interface des sciences de la vie et de la biologie restent plutôt rares. Dans ce manuscrit, nous faisons un tour d'horizon sur l'émergence de nouvelles technologies dédiées à l'analyse du génome. Nous présentons certaines de nos contributions, et proposons quelques pistes pour de futures recherches, principalement focalisées sur l'étude des mécanismes d'instabilité du génome réalisée dans des populations contenant seulement quelques cellules.

La « fluidité architecturale » est un oxymore, délibérément choisi, pour mettre l'accent sur les valences de fluidité par rapport aux caractéristiques intrinsèques de l'architecture : comparée aux autres domaines artistiques (littérature, arts plastiques, danse, théâtre, cinéma, photographie, etc.), l’architecture n'est pas seulement pensée, interprétée ou illustrée, mais elle est également construite, habitée et solide. Puisque la fluidité architecturale est une métaphore et la notion de fluidité est abstraite par rapport à l’architecture, ce terme est relié, par une analogie à la mécanique des fluides, aux processus plus concrets qui peuvent être retrouvés en physique. En admettant que l’association des termes « fluide-solide » peut être confuse, la première partie de cette thèse est consacrée à définir la « fluidité » et à identifier ses racines dans l’histoire de l’architecture. La deuxième partie se concentre sur l’analyse « fluidique » d’une série de vingt projets contemporains. Cette analyse, fondée sur les discours architecturaux des concepteurs, détermine le degré de fluidité présente dans la production architecturale contemporaine et établit de nouvelles correspondances entre les différents projets. Cette thèse constitue à la fois un travail sur un concept théorique (par l’analogie avec la mécanique des fluides) et sur une manière de représenter la pensée du projet (par l’analyse fluidique). / "Architectural fluidity" is an oxymoron, chosen deliberately in order to emphasize the fluidity expressions related to the intrinsic characteristics of architecture: compared to other arts (literature, visual arts, dance, theater, cinema, photography etc.), architecture is not only thought, interpreted or illustrated, but also is built, inhabited and solid. Considering architectural fluidity as a metaphor and the idea of fluidity as an abstract architectural concept, this term is associated by analogy to fluid mechanics to processes with accurate explanations found in physics. Assuming that the association of the two terms "fluid-solid" can be confusing, the first part of this thesis concerns with the definition of "fluidity" and the identification of its origins in the history of architecture. The second part focuses on the "fluidic" analysis through twenty contemporary projects. This analysis, which is based on the architectural dissertation of designers, determines the degree of fluidity in contemporary architectural production and establishes new connections between different projects.This thesis focuses on both theoretical concepts (by analogy to fluid mechanics) and developing a method to represent the conceptual process of the project (the fluidic analysis).

Cette thèse traite de la fonctionnalisation de surface des résonateurs plasmonique à base de semi-conducteur III-V en utilisant de l’acide phosphonique pour la spectroscopie vibrationnelle exaltée permettant d'identifier des quantités infimes de molécules. Le premier chapitre décrit les fondements théoriques de la spectroscopie vibrationnelle exaltée. En comparant les propriétés plasmoniques du semi-conducteur dégénéré InAs(Sb):Si et des métaux, ici l’or et le gallium, on trouve que l’InAs(Sb):Si est particulièrement adapté à la spectroscopie infrarouge exaltée (SEIRA) et que le gallium est adapté à la spectroscopie Raman exaltée (SERS). Les deux matériaux plasmoniques alternatifs surpassent théoriquement l'or dans leurs gammes spectrales respectives. Néanmoins, l'or et son inertie chimique restent intéressants pour permettre la spectroscopie vibrationnelle exaltée dans différents environnements chimiques.Dans le deuxième chapitre on démontre que l’InAs(Sb):Si est chimiquement stable dans l'eau, contrairement au GaSb. Une structure en couches composites de GaSb/InAsSb:Si a été utilisée pour montrer que la déplétion de l'antimoine et l'incorporation d'oxygène à l'interface GaSb-eau transforment, en un peu moins de 14 h, 50 nm de GaSb cristallin en un oxyde de gallium. Cet oxyde de gallium a un indice de réfraction moyen-IR de l'ordre de n=1,6 ce qui est environ la moitié de la valeur de l'indice de réfraction du GaSb dans le moyen-IR.Dans le troisième chapitre, on démontre que cette modification de l'indice de réfraction lors de l'oxydation peut être exploitée pour décaler la résonance plasmonique localisée des réseaux InAsSb:Si sur des substrats GaSb dans la plage de 5 µm à 20 µm par formation d’un piédestal.Dans le chapitre 4 est présenté le contrôle de la liaison chimique des molécules organiques avec la fine couche d'oxyde natif à la surface du semi-conducteur III-V. L’attachement de ces molécules sur l’oxyde de surface ouvre la voie à des applications bio-photoniques utilisant des semi-conducteurs améliorés par des résonateurs plasmoniques.Dans le chapitre 5 est décrit deux stratégies différentes pour combiner des résonateurs plasmoniques à base de III-V avec des circuits micro-fluidiques. Ces résultats démontrent que des applications lab-on-the-chip basées sur des semi-conducteurs III-V sont possibles.Enfin, la possibilité d'intégrer des nanoparticules de Gallium plasmoniques sur des semi-conducteurs III-V pour combiner les méthodes SEIRA et SERS est présentée au chapitre 6. / This thesis deals with the surface functionalization of nanostructured plasmonic III-V semiconductors for surface-enhanced vibrational spectroscopy relevant to identify minute amounts of analyte molecules.The first chapter outlines the theoretical foundations of surface-enhanced vibrational spectroscopy based on plasmonics. Comparing the plasmonic properties of the degenerate semiconductor InAs(Sb):Si and of metals, here gold and gallium, it is found that the degenerate semiconductor is especially suited for surface-enhanced infrared (SEIRA) spectroscopy and that gallium with its plasmonic potential in the UV-VIS range is apt for surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS). Both alternative plasmonic materials theoretically outperform gold in their respective spectral ranges. Nevertheless, gold and its chemical inertness remain interesting for enabling plasmonic enhanced vibrational spectroscopy in different chemical environments. The influence of aqueous environments on the material properties of III-V semiconductors is addressed in the second and in the third chapter. It is found that InAs(Sb):Si is chemical stable in water, but GaSb is not. A GaSb/InAsSb:Si compound layer structure was used to demonstrate that the depletion of antimony and the incorporation of oxygen at the GaSb-water interface transform 50 nm of crystalline GaSb to a gallium oxide in less than 14 hours. The gallium oxide has a mid-IR refractive index in the order of n=1.6 and thus less than half of the value of the mid-IR refractive index of GaSb. This change in refractive index upon oxidation can be exploited to blue-shift the localized plasmonic resonance of InAsSb:Si gratings on GaSb-substrates in the range from 5 µm to 20 µm by pedestal formation.In Chapter 4, the controlled chemical bonding of organic molecules to the approximately 3 nm thin native oxide layer of III-V semiconductor surfaces by phosphonic acid chemistry is presented. This paves the way for plasmonic enhanced all-semiconductor mid-IR biophotonic applications. In chapter 5, two different, but equally successful strategies to combine III-V based plasmonic resonators with microfluidic circuits are described. These results demonstrate that lab-on-the-chip applications based on III-V semiconductors are possible. Finally, the possibility to integrate plasmonic Gallium nanoparticles onto the III-V material platform for a potential combination of SEIRA and SERS applications is presented in chapter 6.

L’interférométrie par retro-injection optique (OFI) est une technique de détection émergente pour les systèmes fluidiques. Son principe est basé sur la modulation de la puissance et/ou de la tension de polarisation d’une diode laser induites par interférence entre le faisceau propre de la cavité laser et la lumière réfléchie ou rétro-diffusée par une cible distante. Grâce à l’effet Doppler, cette technique permet de mesurer précisément la vitesse de particules en mouvement dans un fluide, et de répondre aux besoins croissants de mesure de débit dans les systèmes d’analyse biomédicale ou chimique.Dans cette thèse, les performances de la vélocimétrie par rétro-injection optique sont étudiées théoriquement et expérimentalement pour le cas de micro-canaux fluidiques. Un nouveau modèle numérique multi-physique (optique, optoélectronique et fluidique) est développé pour reproduire les spectres Doppler expérimentaux. En particulier, les effets de la concentration en particules, de la distribution angulaire de la diffusion du laser par les particules, ainsi que du profil d’écoulement dans le canal sont pris en compte. Un bon accord est obtenu entre les vitesses d’écoulement théoriques et expérimentales. Ce modèle est également appliqué avec succès à la mesure de la vitesse locale dans un micro-canal et à l’analyse de l’impact sur le signal des configurations particulières de canal. Enfin, la conception d’un capteur OFI tirant parti des avantages des Lasers à Cavité Verticale à Emission par la Surface (VCSEL) est proposée. Grâce au développement de techniques de microfabrication à base de matériaux polymères, un premier démonstrateur composé d’un VCSEL à lentille intégrée est réalisé et testé sans aucune optique macroscopique additionnelle. Les résultats obtenus en termes de mesure de flux sur des canaux micro-fluidiques de tailles différentes valident l’intérêt de cette approche et ouvrent la voie vers la réalisation de capteurs OFI ultra-compacts. / Optical feedback interferometry (OFI) is an emerging sensing technique which has been studied in fluidic systems. This sensing scheme is based on the modulation of the laser emission output power and/or the junction voltage induced by the interaction between the back-scattered light from a distant target and the laser inner cavity light. Thanks to the Doppler Effect, OFI can precisely measure the velocity of seeding particles in flowing liquids which is much required in chemical engineering and biomedical fields. In the present thesis, optical feedback interferometry performance for microscale flow sensing is studied theoretically and experimentally. A new numerical modeling approach based on multi-physics numerical simulations for OFI signal simulation in the micro-scale flowmetry configuration is presented that highlight the sensor performances. In this model, many factors are involved such as particle concentration and laser-particle scattering angle distribution and flow velocity distribution. The flow rate measurement shows good agreement with the modeling. The implementation of OFI based sensors in multiple fluidic systems, investigating the impact of the fluidic chip specific configuration on the sensor signal.Finally, a compact OFI flowmetry sensor based on Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers (VCSELs) using micro optical fabrication techniques is demonstrated as well. The simulation method for the design and the microfabrication procedures are detailed. After an evaluation of the experimental results, the capabilities of this new OFI sensor in microfluidic measurements are emphasized, thus demonstrating an open path towards ultra-compact microfluidic systems based on the OFI sensing technique.

Le procédé d’estampage à chaud est considéré comme l'un des procédés les plus prometteurs de micro-Réplication pour l'élaboration des micro-Composants ou nano-Composants avec des matériaux polymériques dans différents domaines d'application . La mémoire consiste à caractériser les propriétés physiques des polymères thermoplastiques amorphes (PS, PMMA et PC) sur une large plage de température, ainsi que la modélisation physique, la simulation numérique et vérification expérimentale du procédé d’estampage à chaud.[...]Les propriétés visco élastiques des polymères retenus ont été caractérisées avec les essais décompression dynamiques. Le module de conservation, le module de perte et le facteur d'amortissement de polymère PMMA à partir de la température ambiante jusqu'à légèrement au-Dessus de Tg ont été obtenues. Le comportement visco élastique des polymères a été décrit par un modèle de Maxwell Généralisé et un bon accord a été observé. La simulation numérique des étapes du remplissage de procédé d’estampage à chaud a été réalisée enprenant compte des propriétés visco élastiques de polymère. Les effets de la température et dela pression de compression sur l'exactitude de réplication dans le procédé d’estampage à chaud ont été étudiés.[...]Un nouveau moule de compression complet, y compris le système de chauffage, le système de refroidissement et le système de vide a été développé dans notre groupe de recherche. Les dispositifs micro fluidiques avec la dimension de la cavité : environ 200 μm, 100 μm et 50 μmen PS, PMMA et PC plaque (épaisseur de 2 mm) ont été élaborés par le procédé d’estampage à chaud. Les effets des paramètres du procédé, tels que l’entrefer imposé, la température décompression, la matière compressée et la dimension de micro cavité, sur l’exactitude de réplication du procédé d’estampage à chaud ont été étudiés. / Hot embossing process is considered as one of the most promising micro replication processes for the elaboration of micro or nano components with polymeric materials invarious application fields. The thesis consists to characterize the physical properties of widelyused amorphous thermoplastic polymers (PS, PMMA and PC) over a large temperature range,along with the physical modelling, numerical simulation and experimental verification of thehot embossing process.[...] The polymers’ viscoelastic properties have been characterized with the dynamical compression tests. The storage modulus, loss modulus and damping factor of PMMA polymerfrom ambient temperature to lightly above Tg have been obtained. The viscoelastic behaviourof polymer has been described by a proposed Generalized Maxwell model and a good agreement has been observed. The numerical simulation of filling stage of hot embossing process has been achieved by taking into account of polymer’s viscoelastic properties. Theeffect of compression temperature and pressure on the replication accuracy in hot embossing process has been investigated in the simulation.[...] A new complete micro compression mould tools, including heating system, cooling system and vacuum system have been developed in our research group. The microfluidic devices with the cavity dimension eq. to about 200 μm, 100 μm and 50 μm in PS, PMMA and PC plate(thickness eq. to 2 mm) have been elaborated by the hot embossing process. The effects of the processing parameters, such as the compressive gap imposed, compression temperature, embossed material and die cavity dimensions, on the replication accuracy of hot embossing process have been investigated.

Cette thèse traite un sujet pluridisciplinaire, la conception d’un prototype de micro-capteur biologique pour la détection des anticorps de patients susceptibles d'être allergiques.Elle a pour objectif la miniaturisation de la méthode ELISA pour « Enzyme Linked Immune Sorbent Assay » en concevant en « full-custom », avec une technologie CMOS APS, un capteur colorimétrique. Ce capteur est posé en dessous un système micro fluidique contenant l’échantillon biologique à tester, le tout est illuminé via une fibre optique. Le détecteur capte la lumière qui a traversé le micro-tube contenant l’échantillon. Les courants photoniques induits sont liés à la concentration et la coloration de la solution. Le virage colorimétrique de la réaction enzymatique, due à la présence des anticorps dans le sérum, et l’évaluation quantitative de la concentration seront déterminée par la mesure de ces photo-courants. Le capteur pourrait contenir une matrice de 20x20 pixels de détecteurs de couleur ainsi que leur électronique de lecture et de commande. Pour des raisons de coûts, nous avons validé le procédé à l’aide d’une matrice de 4x4 pixels de détecteur de couleur. La réalisation du circuit a été suivie par une caractérisation électrique et colorimétrique. La caractérisation électrique a permis de valider le fonctionnement du bloc de commande du circuit ainsi que celui du pixel (l’électronique de lecture, BDJ). Les résultats de mesures concordent avec ceux de simulations. La caractérisation colorimétrique consiste à mesurer le virage colorimétrique de deux solutions différentes. Les mesures ont pu montrer que notre capteur est plus sensible que le spectromètre utilisé pour mesurer la concentration des deux solutions. Ainsi ce travail de recherche a contribué à la miniaturisation d’une bio-puce colorimétrique dédiée aux tests immunologiques basée sur la méthode ELISA. / This PhD treats a multidisciplinary subject based on the design of a biological micro-sensor prototype for the detection of antibodies of patients susceptible to be allergic.The goal has been the miniaturization of the ELISA "Enzyme Linked Immune Sorbent Assay" method, designing in integrated full-custom colorimetric sensor with a CMOS APS technology. This sensor is installed below a microfluidic system containing the biological test sample, the whole is illuminated via an optical fiber. The sensor detects the light passed through the micro reservoir containing the sample, the induced photo-currents is related to the concentration of the solution. The color change of the enzyme reaction due to the presence of antibodies in the serum, and the quantitative evaluation of the concentration will be determined by the measurement of the induced photo-currents. The sensor may contain a matrix of 20x20 color detector pixels and their reading and control electronics. For cost reasons, we validated the method using a matrix of 4 x 4 pixels of color detectors.The design of electrical device was followed by a colorimetric and electrical characterizations. The latter was used to validate the operation of the control block of the circuit as well as that of the pixel (readout electronics, BDJ). The results brought by measurements are in good agreement with those obtained through simulations. The colorimetric characterization consists in measuring the intensity of the color of two different solutions of different colors. These measurements have shown that our sensor is more sensitive than a spectrometer. Therefore, this research work has contributed to the miniaturization of a colorimetric sensor and its electronic part for the Immunoassay based on the ELISA method.

À ce jour, la scoliose idiopathique de l’adolescent (SIA) est la déformation rachidienne la plus commune parmi les enfants. Il est bien connu dans le domaine de recherche sur la SIA que les forces mécaniques, en particulier les forces biomécaniques internes dans le système musculosquelettique, pourraient jouer un rôle majeur dans l’initiation et le développement de la maladie. Cependant, les connaissances sur la transformation des forces et des stimulations mécaniques en activité biochimique sont peu abondantes. Cet axe de recherche est très prometteur et peut nous fournir de nouvelles idées dans le dépistage et le traitement de la SIA. Dans le cadre de cette étude, nous visons à caractériser la mécanotransduction chez les patients atteints de la SIA en employant des techniques novatrices aux niveaux in vivo et in vitro. Antérieurement dans notre laboratoire, nous avons démontré que les niveaux d’Ostéopontine (OPN) plasmatique chez l’humain corrèlent avec la progression et la sévérité de la maladie, et que ces changements sont observables avant le début de la scoliose. En plus, selon la littérature, l’OPN est une molécule sensible à la force mécanique, dont l’expression augmente en réponse dans de nombreux types de cellules chez plusieurs espèces. Toutefois, il n’existe aucune preuve que ce résultat soit valide in vivo chez l’humain. L’hétérogénéité physique et biochimique de la SIA pose un gros défi aux chercheurs. Souvent, il est très difficile de trouver des résultats ayant une grande applicabilité. Les études portant sur les facteurs biomécaniques ne font pas exception à cette tendance. En dépit de tout cela, nous croyons qu’une approche basée sur l’observation des contraintes de cisaillement présentes dans le système musculosquelettique pourrait aider à surmonter ces difficultés. Les contraintes de cisaillement physiologique sont générées par des courants de fluide en mouvement à l’intérieur des os. Aussi, elles sont omniprésentes et universelles chez l’humain, peu importe l’âge, le sexe, la condition physique, etc., ce qui veut dire que l’étudier pourrait fort bien avancer nos connaissances en formant une base fondamentale avec laquelle on pourra mieux comprendre les différences quant à la mécanotransduction chez les patients atteints de la SIA par rapport aux sujets sains. Pour ce projet, donc, nous proposons l’hypothèse que les sujets atteints de la SIA se différencient par leurs réponses respectives à la force mécanique au niveau cellulaire (en termes de l’expression génique) ainsi qu’au niveau in vivo (en termes du marqueur OPN et son récepteur, sCD44). Afin de vérifier la partie de notre hypothèse de recherche concernant l’aspect in vivo, nous avons recruté une cohorte de patients âgés de 9-17 ans, y compris i) des cas pré-chirurgicaux (angle de Cobb > 45°), ii) des cas modérément atteints (angle de Cobb 10-44°), iii) des témoins, et iv) des enfants asymptomatiques à risque de développer la scoliose (selon nos dépistages biochimiques et fonctionnels) d’âge et sexe appariés. Une pression pulsatile et dynamique avec une amplitude variant de 0-4 psi à 0.006 Hz a été appliquée à un des bras de chacun de nos sujets pour une durée de 90 minutes. Au tout début et à chaque intervalle de 30 minutes après l’initiation de la pression, un échantillon de sang a été prélevé, pour pouvoir surveiller les niveaux d’OPN et de sCD44 circulants chez les sujets. Nous avons découvert que le changement des niveaux d’OPN plasmatique, mais pas des niveaux de sCD44, corrélaient avec la sévérité de la difformité rachidienne chez les sujets, ceux ayant une courbe plus prononcée démontrant une ampleur de réponse moins élevée. Pour vérifier la partie de notre hypothèse de recherche concernant la réponse mécanotransductive cellulaire, des ostéoblastes prélevées à 12 sujets ont été mis en culture pour utilisation avec notre appareil (le soi-disant « parallel plate flow chamber »), qui sert à fournir aux ostéoblastes le niveau de contraintes de cisaillement désiré, de manière contrôlée et prévisible. Les sujets étaient tous femelles, âgées de 11-17 ans ; les patients ayant déjà une scoliose possédaient une courbe diagnostiquée comme « double courbe majeure ». Une contrainte fluidique de cisaillement à 2 Pa, 0.5 Hz a été appliquée à chaque échantillon ostéoblastique pour une durée de 90 minutes. Les changements apportés à l’expression génique ont été mesurés et quantifiés par micropuce et qRT-PCR. En réponse à notre stimulation, nous avons trouvé qu’il n’y avait que quelques gènes étant soit différentiellement exprimés, soit inchangés statistiquement dans tous les groupes expérimentaux atteints, en exhibant simultanément la condition contraire chez les témoins. Ces résultats mettent en évidence la grande diversité de la réponse mécanotransductive chez les patients comparés aux contrôles, ainsi qu’entre les sous-groupes fonctionnels de la SIA. Globalement, cette œuvre pourrait contribuer au développement d’outils diagnostiques innovateurs pour identifier les enfants asymptomatiques à risque de développer une scoliose, et évaluer le risque de progression des patients en ayant une déjà. Aussi, dans les années à venir, les profils mécanotransductifs des patients pourraient s’avérer un facteur crucial à considérer cliniquement, particulièrement en concevant ou personnalisant des plans de traitements pour des personnes atteintes. / Adolescent idiopathic scoliosis (AIS) is the most commonly occurring musculoskeletal deformity among children today. It is generally well accepted in scoliosis research that mechanical forces, especially the internal biomechanical forces of the musculoskeletal system, could well have a major role in the induction and pathogenesis of the disease. However, the process by which mechanical loads or stimuli are converted into biochemical activity (mechanotransduction) has not been explored so deeply. This emerging facet of research in AIS holds much promise for new insights into the disease. Here, we aim to characterize mechanotransduction in scoliosis patients using some novel techniques at both the in vivo and in vitro levels. Previously in our lab, we demonstrated that the level of plasma osteopontin (OPN) and sCD44 in the human body is a strong indicator of disease progression and severity, and that these changes are observable before scoliosis onset. In the literature, OPN in vitro is known to be mechanosensitive, showing upregulation in response to mechanical stress in a variety of cell types across many species. However, to the best of the author’s knowledge, no literature exists as to whether this behaviour carries over in vivo in humans. A major difficulty in AIS research is the heterogeneity of the disease, both physically and biochemically. Because of this, many times it is difficult to find results with wide applicability to patients. Study of biomechanical factors in AIS is no exception. We believe, however, that study of fluid shear stress in the musculoskeletal system may be able to solve this problem for mechanotransduction-related issues in AIS. Native physiological fluid shear stresses in humans are experienced in the musculoskeletal system, caused by fluid movement over cells therein. These fluid shear stresses are omnipresent and universal in all humans, regardless of age, gender, fitness level, etc., which means that studying it could very well go a long way towards establishing a fundamental basis of understanding the differences as to mechanotransduction in scoliosis patients as opposed to normal cases. In this project, then, we advanced the hypothesis that AIS patients are distinguishable in the way they respond to mechanical force at both the cellular level (in terms of gene expression) as well as globally at the in vivo level (in terms of the scoliosis marker OPN and its receptor sCD44). To test the in vivo portion of our hypothesis, we recruited a cohort of patients between the ages of 9-17, each one of which fell into one of 4 subject groups: i) surgical cases (pre-surgery, Cobb angle > 45°), ii) moderately affected cases (Cobb angle 10-44°), iii) controls, or iv) asymptomatic children at risk of developing scoliosis matched for age and gender against healthy controls. A dynamic, pulsatile, compressive pressure of variable amplitude from 0-4 psi at 0.006 Hz was applied to the arm of each subject for a period of 90 minutes. Initially and at intervals of 30 minutes after the start of force application, blood samples were taken in order to monitor circulating plasma OPN and sCD44 levels in subjects. We found that the change of circulating OPN levels, but not sCD44 levels, measured in vivo in response to our mechanical stimulation was statistically significantly correlated to status of spinal deformity severity, with more severely affected subjects demonstrating lower magnitudes of ΔOPN. To test the cellular portion of our hypothesis, osteoblasts from severely affected AIS patients and unaffected controls were cultured for use with our parallel plate flow chamber (PPFC) apparatus setup, which permits application of fluid shear stress patterns to cells in a predictable, controllable manner. Subjects were all females who fell into the 11-17 years age range, with scoliotic patients presenting with double major curves. A dynamic, sinusoidal and oscillatory fluid shear stress pattern was applied to osteoblasts at 2 Pa, 0.5 Hz for 90 minutes. Overall gene expression changes across RNA samples as a result of our stimulation were measured using microarray and qRT-PCR approaches. In response, only a very small number of genes are either mutually differentially expressed or statistically unchanged across all functional scoliotic subgroups while having the opposite condition in the control group, indicating a great degree of difference in terms of mechanotransductive response as compared internally between AIS functional subgroups, as well as between control and AIS patients. Globally, this project’s work may contribute to the development of innovative diagnostic tools to identify asymptomatic children at risk of developing scoliosis, and to assess the risk of curve progression at an early stage in those already affected. Also, in years to come, the mechanotransductive profile of a patient could be another integral factor to weigh, clinically, when considering or designing treatment plans for affected persons.

Ce travail est axé sur l'étude de l'évaporation lente d'un liquide confiné dans un tube capillaire de section carrée, en lien avec l'étude du phénomène de séchage. Dans un tel capillaire, si le liquide est suffisamment mouillant, des films liquides se forment par capillarité le long des coins internes. L'évaporation du liquide en sommet de film engendre un pompage capillaire et l'espèce volatile est alors transportée, sous phase liquide, au plus près du sommet du capillaire. Ce mode de transport dépend de la compétition entre les effets capillaires et les effets visqueux et de gravité qui s'opposent tous deux au mouvement du liquide vers le sommet du capillaire. Ces films liquides sont étudiés en adoptant une approche expérimentale. Le principe des expériences est de laisser un liquide volatil s'évaporer dans un tube capillaire carré. Plusieurs expériences d'évaporation sont réalisées en faisant varier la nature du liquide, la taille du capillaire et son orientation (horizontale et verticale). Une méthode de thermographie infra-rouge permet de mesurer le profil de température le long du capillaire. Le refroidissement induit par le changement de phase liquide-vapeur ainsi que sa position sont alors mesurables. A partir d'une méthode de visualisation par ombroscopie, plusieurs grandeurs sont mesurées : position du ménisque principal, taux d'évaporation et épaisseur relative des films. En s'appuyant sur une analyse simple du transfert de masse, on montre alors que les cinétiques d'évaporation obtenues expérimentalement se divisent en trois principales phases caractéristiques, ressemblant fortement aux trois périodes de la cinétique classique de séchage des milieux poreux capillaires. L'analyse de l'hydrodynamique des films montre qu'il est indispensable de prendre en compte l'arrondi interne des coins des capillaires dans la modélisation de l'écoulement au sein des films. On montre notamment que le phénomène étudié est très sensible à ce paramètre, qui limite l'extension des films. Ce travail expérimental a permis de développer une modélisation du transfert de masse dans la configuration étudiée, couplée à une modélisation de l'écoulement des films, et finalement de proposer un modèle de séchage d'un capillaire carré quantitativement satisfaisant. / In connection with the study of the phenomenon of drying, this work focuses on the study of slow evaporation of a liquid confined in a capillary of square cross section. In such a capillary, if the liquid wetting contact angle is low enough, liquid films are trapped by capillary forces along the capillary inside corners. Evaporation of the liquid at the film top creates a capillary pumping. The volatile species is then transported in liquid phase to the top of the capillary. This efficient mode of transport depends on the competition between the effects of capillarity and the effects of viscosity and gravity both opposing to the liquid flow towards the top of the capillary. In this work, the liquid films are studied experimentally.The principle of the experiments is to leave a volatile liquid evaporate in a square capillary tube. Several evaporation experiments are conducted, varying the liquid, the capillary tube size and its orientation (horizontal and vertical). An infrared thermography method allows to measure the temperature profile along the capillary. The cooling induced by the liquid-vapor phase change and its location is then measured. Owing to an ombroscopy visualization method, the location of the bulk meniscus, the evaporation rate and the relative thickness of the films can be measured. The experimental results show that the evaporation kinetics is similar to the drying kinetics of capillary porous media. This finding allows to study evaporation in a square capillary by analogy with the study of drying of capillary porous media. Based on a simple analysis of mass transfer in the system, it is then shown that the evaporation kinetics obtained experimentally can be divided into three main characteristic phases. The analysis of the hydrodynamic of the films shows that it is essential to take into account the roundeness of the capillary tube inside corners in the modelling of the flow in the films. We show that the phenomenon studied is very sensitive to the degree of roundedness of the tube internal corners, which limits the extension of the films. Modelling of the mass transfer coupled with modelling the film flow lead to a quantitatively satisfactory model of the drying of a square capillary tube.