Cette thèse concerne le développement d’outils microfluidique pour l’ingénierie d’enzymes d’intérêt thérapeutique. La microfluidique à base de gouttelettes présente un énorme potentiel dans le domaine de la biologie quantitative. Nous développons des outils microfluidiques pour l’évolution dirigée de l’enzyme L-asparaginase, enzyme utilisée comme traitement de laleucémie lymphoblastique aiguë. Ce traitement est basée sur une enzyme d’origine bactérienne,ce qui conduit à déclencher des réactions immunitaires qui se traduit par l’interruption du traitement, souvent fatale pour le patient. Cependant, une version humaine de l’enzyme L-asparaginase, qui est moins immunogénique, n’est à l’heure actuelle pas suffisamment active pour être utilisée. L’objectif principal de cette thèse est d’alors d’analyser et de cribler des banques de mutants d’enzymes en utilisant des méthodes classiques de mutagenèse et d’analyser chaque mutant individuellement par le biais de la microfluidique. Pour cela, plusieurs systèmes microfluidiques ont été développés et optimisés afin de répondre à différents critères de sélection pour l’analyse et la sélection de l’enzyme L-asparaginase. La version bactérienne a servi de contrôle positif pour l’optimisation des systèmes microfluidiques afin de pouvoir analyser et de cribler des banques de mutants de la version humaine de l’enzyme L-asparaginase. / This thesis deals with the development of microfluidic tools for the engineering ofenzymes of therapeutic interest. Droplet microfluidics has enormous potential in the field ofquantitative biology. We are developing microfluidic tools based on the directed evolutionof the enzyme L-asparaginase, an enzyme used to treat acute lymphoblastic leukemia. Thistreatment is based on an enzyme of bacterial origin, which leads to immune reactions thatresult in the interruption of treatment, often fatal for the patient. However, a human version ofthe enzyme L-asparaginase, which is less immunogenic, is currently not sufficiently active to beused. The main objective of this thesis is to analyze and screen enzyme mutant libraries usingstandard mutagenesis methods and to analyze each mutant individually through microfluidics.For this, several microfluidic systems have been developed and optimized for different selectioncriteria for the analysis and selection of the enzyme L-asparaginase. The bacterial versionserving as a positive control for the optimization of microfluidic workflows to analyze andscreen mutant libraries of the human version of the enzyme L-asparaginase.

Les interactions entre des gouttes ou des bulles sont rencontrées dans de nombreuses applications industrielles et/ou environnementales. Ici, nous nous intéressons à l’électro-coalescence qui a des applications importantes comme par exemple la séparation eau/pétrole (coalescence de gouttelettes d'eau dans du pétrole). L’étude a été consacrée à l’élaboration et à la mise point de modèles basés sur les équations de Navier-Stokes et les équations régissant les champs électriques au niveau d’une seule goutte ainsi que l’interaction entre deux gouttes et plus particulièrement l’effet des forces hydrodynamiques et électrostatiques sur le mécanisme d’amincissement du film séparant les deux gouttes. Selon les cas traités, le suivi de l’interface est réalisé soit à l’aide de la méthode LS (Level Set) ou bien à l’aide de la méthode MM (Moving Mesh). Les solutions numériques ont été obtenues à l’aide du code de calcul COMSOL Multiphysics. Dans une première étape, nous avons analysé l’effet d’un champ électrique sur la déformation d’une seule goutte suspendue dans un autre fluide visqueux, pour différentes propriétés physiques et électriques des deux fluides. Le modèle a été testé et validé par confrontation avec les solutions analytiques existantes et avec des études numériques de la littérature. Nous avons examiné aussi l’influence du champ électrique sur la génération d’une goutte secondaire lors de la coalescence entre une goutte et une interface liquide-liquide déformable. Dans une seconde étape, nous avons étudié le drainage et la déformation de deux gouttes en interaction sous l’action d’une force constante. Contrairement à la théorie de lubrification basée entre autre sur l’hypothèse d’une petite déformation de l’interface, aucune hypothèse simplificatrice n’a été utilisée pour la résolution des équations, ce qui a permis d’obtenir des solutions numériques aussi bien pour les petites que pour les grandes déformations. Dans une troisième étape, nous avons examiné l’ascension d’une goutte isolée ou de deux gouttes de n-butanol dans l’eau sous l’influence de la force de flottabilité. L’évolution des vitesses terminales d’ascension des gouttes (goutte de tête/goutte suiveuse) et le drainage du film séparant les deux gouttes ont été analysées en présence et en l’absence de champ électrique. / Drops and bubbles interactions are encountered in various industrial and environmental applications. In this work, we focus on the electro-coalescence which has important industrial uses such as the destabilization of water / oil emulsions (coalescence of water droplets in oil). This study was devoted to the development and the elaboration of numerical models based on the Navier-Stokes equations and those describing the electrical field on a single drop as well as the interaction between two drops, and more particularly the effect of hydrodynamic and electrostatic forces on the thinning mechanism of the film separating the two drops. According to the treated cases, the interface tracking is achieved either by using the LS method (Level Set) or using the MM method (Moving Mesh). Numerical solutions were obtained using the commercial CFD software COMSOL Multiphysics. During the first step, we analyzed the effect of an electrical field on the deformation of a single suspended drop in another viscous fluid, for different physical and electrical properties of the two fluids. The model was tested and validated by comparison with existing analytical solutions and numerical studies found in the literature. We also analyzed the influence of the electric field on the generation of a secondary drop during the coalescence between a drop and a deformable liquid-liquid interface. In a second step, we investigated the drainage and deformation of two drops in interaction under the effect of a constant force. Unlike the lubrication theory which is based among others, on the assumption of a small interface deformation, in this work, no simplifying assumptions were used for the solution of equations, which allowed us to obtain numerical solutions for both small and large deformations. For the third step, we examined the rise of two drops of n-butanol in water under the influence of buoyancy force. The evolution of the drops terminal ascension velocity (leading drop/trailing drop), and the drainage of the film separating the two drops were analyzed in the presence and in the absence of electrical field.

Ces travaux de recherche s’inscrivent d’une part dans une thématique d’intensification de procédés : la synthèse des particules de polymères est classiquement réalisée en batch en présence de solvants, tensioactifs et agents stabilisateurs. Dans ces conditions, les particules générées ont une distribution de taille assez large. Pour palier à celà, la synthèse des particules est envisagée en continu dans des microcanaux avec l’eau en phase dispersante, sans ajout de tensioactifs et sans traitement de surface des parois du microréacteur. L’utilisation de l’échelle micrométrique va ainsi procurer une très grande régularité aux dispersions générées et empêcher la coalescence des gouttelettes au sein du milieu qui provoque la polydispersité des particules dans les cuves agitées. Nous avons donc développé des outils microfluidiques et étudié l’hydrodynamique dans ces microréacteurs pour obtenir la génération de gouttelettes sphériques afin de synthétiser des billes d’un diamètre inférieur à la centaine de microns par polymérisation directe des gouttes. Ces travaux visent d’autre part, la production de nouveaux matériaux puisque l’objectif était non seulement de produire des particules simples mais d’envisager des structures plus complexes telles que des particules multicouches de type oignon pour lesquelles on pourrait choisir la nature et l’épaisseur de chaque couche. Nous avons donc travaillé sur la manipulation de l’écoulement après polymérisation pour envisager des méthodes d’enrobage des particules coeurs. Enfin nous avons trouvé une nouvelle application liée à la synthèse de particules en microcanaux : la création de colonnes chromatographiques remplies de particules. / This work is full part of process intensification : polymer particles are usually synthesized in batch reactors with solvents, surfactants and stabilizers. In these conditions, particles are obtained with large size distribution. In order to reduce size distribution, particles synthesis is then studied in a continuous process in microchannels in water, without surfactants nor surface treatment of microreactors’ walls. The micron-size scale provides indeed better control of monomer dispersion and prevents droplets coalescence which is the major reason of polydispersity in stirred tank reactors.That is why we have developped microfluidic tools and studied hydrodynamics and droplet generation into microreactors in order to synthetize polymer beads smaller than a hundred microns by direct polymerization of spherical droplets. This work also deals with new material creaction : the objective was also to produce onion-like structures for whom we could choose each layer chemical nature and thickness. We have then analysed manipulation of partciles flow to determine ways of encapsulating core particles. Finally, we also developped a new application related to polymer beads into microchannels : the creation of micropacked chromatography columns

Les émulsions fluorées de Pickering sont étudiées et mises au point dans la technologie demicrofluidique en gouttes pour des applications d’études sur des cellules adhérentes isolées.Les principaux résultats de ce projet sont : l’établissement d’un lien entre la couverture desurface des nanoparticules et la fluidité de l’émulsion de Pickering ; l’établissement deslignes directrices pour la stabilisation des gouttes avec un débit de production élevé et unminimum de déchets de particules ; et la mise en oeuvre d’une plateforme technologiquecomplète pour l’étude des cellules RPE, pour mesurer leur hétérogénéité phénotypique auniveau de la cellule individuelle. / Fluorinated Pickering emulsions are studied and engineered within droplet-based microfluidicstechnology for adherent-cell studies applications. The main findings of this projectinclude: linking the nanoparticles surface coverage to the bulk flowability of the Pickeringemulsion; deriving guidelines for droplet stabilization with high production throughput andminimal particle waste; and implementing the full technological platform for the study ofRPE cells, while unraveling their phenotypic heterogeneity at the single cell level.

La recherche développée durant cette thèse constitue la première étape de développement d’une nouvelle méthodologie de détection sans marquage à l’échelle d’une goutte : un nouveau mécanisme de transduction est développé, basé sur l’actuation par électromouillage bi-fréquence d’un réseau d’ondes capillaires à la surface d’une goutte. La résonance capillaire de la goutte est étudiée par détection interférométrique de son apex en mouvement.La faisabilité de cette méthodologie est prouvée en caractérisant la cinétique d’évaporation de la goutte par glissement spectral des ondes capillaires.La deuxième partie de la thèse porte sur la modélisation du transport de biomolécules tensioactives dans une goutte : le transport diffusif, les processus d’ad/désorption aux surfaces, la condition cinématique d’un rayon variable(évaporation) ainsi qu’une quantité molaire finie de biomolécules sont pris en compte. Un nouveau nombre adimensionnel est proposé pour rendre compte de la taille finie d’une goutte. Puis le transport chimique associé au courant de dérive induit par les ondes capillaires (excitées par électromouillage oscillatoire)est pris en compte à l’aide de simulations numériques. Finalement,l’électromouillage haute et basse fréquence est appliqué au cas d’une goutte enrichie par des molécules d’albumine de sérum bovin. En utilisant conjointement l’interférométrie optique et l’imagerie, et en considérant la loi de Lippmann-Young, le vieillissement biochimique de la surface solide mouillée par la goutte est détecté. / This PhD research is thought of as a first step towards label freedigital biosensing. A novel transduction mechanism is developed, based on thegeneration of capillary waves along a drop surface induced by dual-frequencyelectrowetting. Acapillary resonance is measured by interferometry at the movingdrop apex. Aproof of concept of this electro-optical methodology for furtherintegration in a digital microsystem is given with characterization of drop evaporationkinetics. A second part focuses on modeling and numerical calculationsof the transport of surface active biomolecules in the drop. The model includesdiffusion, ad-/desorption phenomena together with a kinematic condition of avariable drop radius (evaporation) as well as a finite molecular amount of surfaceactive biomolecules. A dimensionless number is suggested to take into accountfinite size effects. Drop steady streaming due to oscillating electrowetting isfinally taken into account. Low- and high-frequency electrowetting is appliedto a drop laden with bovine serum albumin. By jointly using interferometry andimaging, enhancement of surface ageing is made evident under electrowetting.

Ce travail vise à modéliser les jets diphasiques de gaz liquéfiés et s'intéresse en particulier à la vitesse et au diamètre des gouttes formées au voisinage de l'orifice ( diamètres de brèche compris entre quelques millimètres et quelques dizaines de centimètres ). Le modèle calcule l'évolution le long du jet de la température, de la concentration en fluide, de la taille et de la vitesse des gouttes et calcule surtout la fraction de « rain-out » (liquide qui se dépose au sol). Ce travail est une contribution au développement d'outils pour estimer des distances de sécurité dans le cadre des études de danger.<br />Une campagne expérimentale a permis de mesurer le débit du jet, le diamètre et la vitesse des gouttes qui résultent de sa fragmentation , ainsi que la fraction de « rain-out ». Fluide : eau surchauffée ; températures de réservoir : 110 à 160°C ; pressions de réservoir : 3 à 10 bar abs ; géométries de la brèche : orifices -diamètres 2 et 5 mm- et conduites -diamètre 2 mm, longueur 100 mm et diamètre 5 mm, longueur 250 mm-.<br />Les mesures nous ont permis de valider le modèle proposé pour le débit de l'écoulement dans une conduite ou un orifice, ainsi que pour le jet de brouillard. Les mesures de distribution granulométrique des gouttes nous ont permis de mettre en évidence une population de « grosses gouttelettes » (150 µm < d < 600 µm), très minoritaires en nombre, mais qui représentent plus de 80 % de la masse. Même si l'existence de ces « grosses gouttelettes » n'a jamais encore été signalée dans la littérature et si le mécanisme physique qui les génère n'est pas élucidé, elles nous paraissent nécessaires pour comprendre le caractère hétérogène du « rain-out » : l'observation montre clairement des gouttes qui tombent sous le jet de brouillard.<br />Partant d'un échantillon parmi nos mesures et celles du CCPS sur d'autres fluides (CFC-11, Cyclohexane, Méthylamine, Cl2), nous avons proposé une corrélation pour le diamètre « nécessaire » des gouttelettes (celui qui conduit le modèle à prévoir le « rain-out » correct). Notre modèle, complété par cette corrélation, permet de prévoir la fraction de « rain-out » à [-10 %, +30 %] près, soit une amélioration significative de l'état de l'art.

Des gouttes d'un fluide déposées sur la surface libre d'un bain du même fluide coalescent normalement avec celui-ci en quelques dixièmes de seconde. En faisant osciller verticalement le bain, on peut inhiber entièrement cette coalescence. En effet si l'accélération oscillante est d'amplitude suffisante, la goutte sautille sur la surface. Les gouttes peuvent survivre dans cet état pour un temps illimité. Lors de chacun de ses chocs, la goutte déforme la surface. Si la viscosité est faible, il en résulte l'émission d'ondes capillaires. Les gouttes interagissent par celles-ci et s'organisent spontanément en états liés ou en réseaux réguliers. Toutefois, à proximité du seuil de l'instabilité de Faraday, le choc des gouttes suffit à générer localement une onde de Faraday amortie. On constate que l'interaction d'une seule goutte avec l'onde qu'elle génère conduit à une bifurcation où la goutte acquière spontanément une vitesse horizontale bien définie. On obtient ainsi ce que nous appelons des "marcheurs". Cette transition est décrite en détail expérimentalement et théoriquement. Enfin nous nous sommes intéressés aux interactions de plusieurs de ces marcheurs via leurs ondes. On peut voir que l'interaction attractive de deux marcheurs les conduits à orbiter l'une autour de l'autre. Ces orbites ont des diamètres discrets et résultent de l'interaction que créent entre les gouttes les interférences des ondes qui leur sont associées. On discutera les similarités qui existent entre ces nouveaux objets et les structures localisées (quasi-solitons) observées dans divers systèmes dissipatifs à deux dimensions.

Nous avons étudié la statique et la dynamique d'une ligne triple flottante. Nous avons mesuré la force exercée par la ligne lorsqu'on la déforme (tensiomètre de ligne) et la relation de dispersion des ondes se propageant le long de la ligne ("Triplons"). Nous avons ensuite étudié l'effet de vibrations verticales (fréquence w) sur des flaques d'eau déposées sur un substrat solide. Au dessus d'un premier seuil en amplitude, on observe le décrochement de la ligne, le rayon de la flaque oscille. Au-dessus d'un deuxième seuil, on a pu observer des fluctuations du contour de la flaque à la fréquence w/2 (instabilité paramétrique). Nous avons enfin étudié la dynamique de démouillage à grande vitesse d'un film d'eau flottant sur un liquide non miscible. On a mesuré la vitesse d'ouverture V en fonction de l'épaisseur e du film. Lorsque V dépasse la vitesse des ondes de surface, on observe des ondes de chocs en avant et en arrière du bourrelet collectant l'eau.

La génération contrôlée et à haut débit de gouttes de volume caractéristique un nanolitre dans des canaux microfluidiques permet le suivi simultané de réactions dans des centaines de microréacteurs. En particulier, l'encapsulation d'une cellule par goutte ouvre la voie de l'étude de populations hétérogènes d'organismes biologiques au niveau de la cellule unique. Cette thèse décrit, dans une première partie, le développement d'un microsystème dédié à la mesure haut débit de l'expression de gênes d'intérêt de cellules individuelles isolées dans des gouttes, par la méthode de transcription inverse suivie d'une réaction de polymérisation en chaîne en temps réel. Dans une deuxième partie, la technologie de gouttes est mise à profit pour une étude fondamentale originale des transferts de masse entre une phase dispersée et une phase porteuse. Nous illustrons ce chapitre par deux applications de l'extraction liquide-liquide dans des microgouttes : la première concerne l'extraction du zinc sous forme ionique, la deuxième présente les premières étapes de la purification de l'ARN. Enfin, la dernière partie constitue une ouverture sur les applications potentielles de la génération d'émulsions micrométriques complexes pour la vectorisation de médicaments ou de vaccins par phagocytose.

Dans un contexte où il est devenu vital de réduire l'impact de l'activité humaine sur l'environnement, l'optimisation du recyclage des combustibles nucléaires prend une place grandissante. L'extraction liquide-liquide, procédé au coeur du recyclage, met en contact deux phases immiscibles dont une dispersée sous forme de gouttes. L'échange de matière entre les deux liquides est étroitement lié à la surface d'échange produite par l'appareil utilisé. La colonne pulsée, exploitée à une échelle industrielle, fait l'objet de cette étude dont le but est de fournir un modèle mathématique capable de prévoir la quantité d'aire interfaciale produite afin de permettre un meilleur dimensionnement des appareils. Les travaux menés au cours de cette thèse se sont axés autour de deux thèmes principaux : la caractérisation des émulsions en colonne pulsée et la modélisation du comportement de la phase dispersée. La phase de caractérisation a eu pour objectif de mesurer les données nécessaires à la connaissance de l'émulsion et au calibrage du modèle mathématique. Pour se mettre en conformité avec la nature eulérienne du modèle, un système de synchronisation des mesures avec le cycle de pulsation de la colonne a été mis en place. Des techniques de mesure innovantes, par traitement d'images, exploitant cette synchronisation ont été développées pour permettre de mesurer le taux de rétention moyen (fraction volumique), la distribution des tailles de gouttes, l'anisotropie ainsi que l'aire interfaciale volumique moyenne. Ces travaux expérimentaux ont fait l'objet d'une communication orale à l'International Congres on Multiphase Flow (ICMF 2010). La phase de modélisation s'est appuyée sur les travaux de D. LHUILLIER qui fournit un modèle eulèrien d''emulsion de type " modèle de m'elange ". L'émulsion y est perçue comme une phase unique, pseudo continue, aux propriétés pondérées par les fractions volumiques respectives de chacune des phases présentes. La nouveauté du modèle réside sur l'emploi d'une équation de transport de l'aire interfaciale volumique, grandeur clé pour le dimensionnement et la mesure de l'efficacité des appareils d'extraction liquide liquide. L'évolution de cette grandeur est le résultat de la compétition entre quatre phénomènes principaux que sont la déformation, le retour à l'isotropie, la coalescence et la fragmentation. La restitution correcte de cette physique a nécessité l'emploi d'une méthode de " fractionnement du pas de temps " où les effets de chaque phénomène sont pris en compte de façon séquentielle pour que les termes puits comme le retour à l'isotropie ou la coalescence n'effacent pas instantanément la production générée par les termes source. Dans un premier temps l'ajustement du modèle s'est basé sur des données de la littérature mettant en jeu des géométries académiques comme le convergent-divergent. Les données expérimentales fraîchement acquises ont ensuite servi à apporter une première validation du modèle sur une géométrie moins courante, la colonne pulsée.