Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

La faible taille des nanoparticules permet d’améliorer significativement la biodisponibilité des médicaments et faciliter leur administration par voie parentérale sous forme de particules sans risque de bouchage des vaisseaux sanguins. Cependant, cette faible taille peut être un facteur d’instabilité physique pendant le stockage ou/et pendant l’administration. Le principal défi lié à la fabrication des nano-suspensions réside dans leur stabilisation ainsi que dans le choix de la technologie appropriée pour leur fabrication. La présente thèse est centrée sur la stabilisation et la fabrication des suspensions nano-crystallines. Pour la partie formulation, la thèse décrit une approche systématique pour le choix des stabilisants. Ceux-ci peuvent être soit des dispersants ou soit une combinaison de dispersants et d’agents mouillant. La méthode proposée pour le criblage des stabilisants est rapide et efficace. Elle permet d’investiguer un grand nombre de stabilisant en se basant sur des principes physico-chimiques et en utilisant une approche étape par étape. Cette méthodologie a été divisée en deux parties : la première partie a été centrée sur un criblage qualitatif dont l’objectif est de sélectionner une tête de série à investiguer dans la seconde partie. La seconde partie est centrée sur un criblage quantitative qui a pour objectif d’optimiser le ratio est la quantité d’agent mouillant et de dispersant. Les résultats obtenus ont montré clairement que le système SDS/PVP 40/60 % (m/m) à la concentration de 1.2 % est le stabilisant optimum qui a permis de stabiliser la suspension à température ambiante. Par ailleurs, la robustesse de la formulation a été évaluée en mesurant l’agrégation sous cisaillement ainsi qu’en fonction de la force ionique, la température et du pH. Les résultats ont montré que la concentration critique de coagulation du système étudiée est cinq fois plus importante que celle décrite dans la littérature pour des nano-suspensions concentrées et stables. En revanche, l’agrégation des nanoparticules a été observée à haute température et à haut taux de cisaillement. Pour la partie développement du procédé de fabrication, la thèse est centrée sur la comparaison technologique de l’homogénéisation haute pression (HHP) par rapport au broyage à billes. L'impact de la formulation de la suspension, des paramètres du procédé et de la configuration technologique sur la qualité physique de la suspension produite par chacune des technologies ont été investigués. En outre, les deux technologies ont été comparées en termes de leur robustesse et de leur conformité à la réglementation pharmaceutique. Les conclusions principales de cette étude ont mis en évidence que le broyage à billes conduit à une suspension plus fine que celle obtenue par le HHP. De plus, il a été montré pour les 2 technologies que la relation d90 versus d50 est décrite par une seule courbe maîtresse indépendamment des paramètres du procédé et de l’échelle utilisée. Ceci a clairement mis en évidence que la HPH conduit à une distribution granulométrique plus resserrée que celle obtenue par broyage à billes. Finalement, nous avons modélisé le procédé de broyage à bille en adaptant les équations de Tanka et Chodakov. Le modèle conçu a permis un lissage précis des cinétiques de broyage ainsi que la simulation et la prédiction du procédé de broyage. / The small particle size of nano-crystalline suspension increases the bioavailability of water insoluble drug and facilitates their direct injection into the systemic circulation as particles. However, this small particle size can be responsible for their physical instability during storage and/or administration. The main challenges related to the production of nano-crystalline suspensions are to select the best stabilizer agent to ensure process-ability and to stabilize the API. Moreover, it is necessary to select the suitable technology for the suspension manufacturing taken into account the industrial constraints (scale-down/scale-up, process robustness and equipment reliability). The present thesis is focused on the formulation and the process development of nano-crystalline suspension. For the formulation part, we described a systematic approach to select optimum stabilizer for the preparation of nano-suspensions of given drug. The stabilizer can be either a dispersant or a combination of dispersant and wetting agents. The proposed screening method is a fast and efficient way to investigate a large number of stabilizers based on the principles of physical-chemistry and employs a stepwise approach. The methodology has been divided in two main parts; the first part focused on qualitative screening with the objective of selecting the appropriate candidate(s) for further investigations. The second part discussed quantitative screening with the objective of optimizing the ratio and the amount of wetting and dispersing agents. The results clearly showed that SDS/PVP as wetting/dispersing 40/60% (w/w) at a total concentration of 1.2% was the optimum stabilizer composition, at which the resulting nano-suspensions were stable at room temperature. Furthermore, the formulation robustness was assessed by measuring the rate of perikinetic, orthokinetic aggregation rate as a function of ionic strength (using NaCl), temperature and of pH variation. The results show that using the SDS/PVP mixture, the critical coagulation concentration is about five times higher than that observed in the literature for suspension colloidaly stable at high concentration. The nano-suspension was also found to be very stable at different pH conditions. Desorption test confirmed the high affinity between API and wetting/dispersing agent. However, the suspension undergoes aggregation at high temperature due to desorption of the wetting/dispersing agent and disaggregation of SDS micelles. Furthermore, aggregation occurs at very high shear rate by overcoming the energy barrier responsible for colloidal stability of the system. With respect to process engineering, a technological comparison (high pressure homogenization (HPH) versus bead milling) for the manufacturing of nano-suspension was carried out in terms of impact of suspension formulation, process parameters and technological configuration on the physical quality of the produced suspension. In addition both technologies were compared in terms of their robustness and their compliance to pharmaceutical regulations. The main findings are that, insofar the formulation is sufficiently robust and stable, both technologies are suitable for processing nano-crystalline suspensions. Bead milling is more powerful than HPH. It leads to a limit of milling (d50) lower than that obtained with HPH (100 vs 200 nm). In addition, for both technologies, one can observe that regardless, the process parameters used for milling and the scale, the relationship of d90 versus d50 could be described by a unique master curve (technology signature of milling pathway) outlining that the HPH leads to a tighten particle size distributions. Finally, a modelling approach based on adapted Tanka and Chodakov’s equation was proposed for modelling the milling kinetic. The generated model provides an accurate fit of milling kinetic, to predict and to simulate the milling manufacturing process.

La microfluidique, domaine de recherche qui a émergé il y a juste 20 ans, a permis de réduire les dimensions des dispositifs d’analyse biologique ouvrant la porte au concept de « laboratoire-sur-puce » (lab-on-chip). Les succès de cette approche sont déjà nombreux, depuis l’analyse du génome en passant par la réduction du coût des analyses médicales. L’utilisation de gouttes comme enceinte réactionnelle au sein de ces dispositifs est une évolution récente qui permet de réduire encore le volume des échantillons biologiques et d’augmenter la vitesse d’analyse en parallélisant les mesures.Notre équipe développe des capteurs acoustiques dédiés à la détection d’analytes biologiques en milieu liquide. Ce type de capteur a pour principal défaut de ne permettre qu’une mesure contraignant au remplacement de l’interface de biodétection pour une réutilisation éventuelle du capteur. Dès lors, ils utilisent majoritairement une chambre de détection tout ou partie jetable, même si quelques travaux de recherche ont pu montrer la régénération d’un capteur par traitement chimique.Nous proposons ici de s’affranchir des étapes lourdes de remplacement ou de traitement de l’interface de détection qui conduisent entre chaque mesure au démontage du dispositif de détection. Nous employons dans ce cas les gouttes non plus comme enceinte réactionnelle mais comme interface de détection mobile. Elles ont ainsi le potentiel d’être générées et fonctionnalisées directement dans le dispositif pour détecter un analyte spécifique et peuvent être simplement évacuées afin de régénérer l’interface pour effectuer une mesure différente.Les travaux présentés dans cette thèse visent plus particulièrement la capture sur gouttes fonctionnalisées dans ce type de capteur innovant. Ils exposent le développement, incluant la fabrication et la caractérisation, de ces dispositifs microfluidiques ainsi que le montage d’un banc de test expérimental dédié. Ce sujet est suivi de deux projets ancillaires de développement de dispositifs microfluidiques liés aux capteurs acoustiques et à l’utilisation de gouttes. Le premier vise à homogénéiser les vitesses d’écoulements dans une chambre réactionnelle. Le second exploite les propriétés de génération de gouttes pour réaliser un condensateur à capacité variable. / Since two decades the research on microfluidics systems allowed creating devices for biological detection with regular improvement in compactness, functionality integration and quantity of biological sample, leading to the concept of lab-on-chip. This approach has resulted in dramatic changes in the biomedical field, for example, opening the possibility to perform genomic analysis or improving the medical analysis cost. Using droplet as reaction chamber is a recent evolution that leads to a decrease in biological sample volume and an increase in analysis speed by multiplexing.Our team develops acoustical sensors dedicated to detect biomarker of interest in liquids. The principal weakness of theses sensors lies in their need for replacement of the biodetection interface for performing a new measurement. Accordingly, they use a detection chamber partially or totally disposable. However, few research works showed reusability of sensor by regenerating the bioreceptor layer on the detection interface by chemical treatment.We are proposing to avoid the replacement or the chemical treatment of the detection interface that requires dismounting the device between measurements. We are using here droplets, not as reaction chambers but as movable detection interface. They can be generated and configured directly inside the device to detect a specific biomarker. Then, droplets can be easily evacuated and replaced through the device, which allows to chain measurement of various configurations without dismounting it.The research work conducted in this thesis focuses on the fluidic aspects of this innovative sensor. They show development, including realization and characterization, of theses microfluidic devices and its dedicated characterization setup. This project is followed by two ancillary works about development of microfluidic devices for acoustical sensors and droplets systems. The first one is aiming at the homogenization of the flow velocity inside a reaction chamber. The second one is exploiting property of droplet generation for the realization of a variable capacitance capacitor.

Issu de l'activité biologique de l'arbre, le bois est un matériau composite aux propriétés fortement variables ; caractéristique importante qui limite son utilisation. Le travail de cette thèse se situe dans le cadre d'une approche déterministe visant à comprendre la variabilité observée sur les propriétés mécaniques et de retrait du bois de chêne en fonction de l'organisation de sa structure et des propriétés microscopiques de ses composantes (rayons ligneux, fibre). Réalisée à l'échelle de l'accroissement annuel, cette approche requiert deux grand types de données qui ont nécessité la mise en place d'une chaine d'outils spécifiques :<br /> la morphologie qui définit les éléments structuraux (rayons ligneux, fibres) et leur distribution spatiale au sein du volume représentatif du matériau. Cette description est obtenue grâce au développement d'un dispositif d'imagerie numérique basé sur le principe de l'atténuation d'un rayonnement X.<br /> les propriétés microscopiques des principaux éléments constitutifs du plan ligneux du chêne. Dans le cadre de cette étude, où les propriétés mécaniques et de retrait sont au centre de nos préoccupations, deux types d'échantillons microscopiques (quelques centaines de micromètres) sont préparés au sein de chacun des constituants :<br />- les premiers sont sollicités en traction grâce à une machine d'essai placée sous un microscope. La comparaison d'images de la structure à différents niveaux de stress permet d'accéder à des propriétés élastiques (modules d'Young, coefficients de Poisson) pour chacun des tissus considérés.<br />- les seconds sont disposés dans une chambre climatique placée au sein du dispositif d'imagerie X précédemment développé. La comparaison d'images réalisées à différents états hydriques permet, sans contact, d'accéder aux coefficients de gonflement des éprouvettes, simultanément dans deux directions.<br />Enfin l'utilisation d'un outil numérique d'homogénéisation, MorphoPore, permet d'assembler ces connaissances afin de calculer les propriétés macroscopiques d'accroissements annuels. Les images de la morphologie issues du banc d'imagerie X sont alors la base d'un maillage numérique ; les propriétés microscopiques des différents tissus qui y sont injectées étant issues essentiellement des mesures expérimentales.<br />Les potentialités de l'outil sont présentées au travers de quelques cas. En particulier, cette approche permet de distinguer les influences de paramètres génétiques tel que le plan ligneux, de ceux liés à la croissance de l'arbre tels que la sylviculture ou la station. A titre d'exemple, nous citerons la quantification de l'influence de la vitesse de croissance d'un arbre sur les propriétés mécaniques et de retrait du bois.

La thèse traite, à l'aide de modèles simples, quelques phénomènes présents en mécanique de la rupture en dynamique et en milieu hétérogène. Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés aux phénomènes de propagation brutale sous chargement quasi-statique (on entend par chargement quasi-statique, lorsque la vitesse du chargement tend vers 0). Pour cela nous avons développé un modèle de décollement de film (soumis à un déplacement imposé) à travers une interface ayant une discontinuité de ténacité. Le film commence par se décoller de façon stable, puis lorsqu'il se décolle à travers la discontinuité de ténacité, le décollement devient brutal sur une certaine longueur. La solution dynamique du modèle a été développée et nous avons obtenu que lorsque le chargement du film devient quasi-statique alors la solution dynamique converge en tous points vers une solution quasi-statique particulière que l'on nomme "métastable". Dans un deuxième temps, nous avons cherché à construire le même résultat pour une structure 2D présentant une discontinuité de ténacité à travers le trajet de fissuration. Pour cela nous avons utilisé un algorithme de type déboutonnage de noeuds pour construire la solution dynamique. Nous avons obtenu que la longueur de la propagation brutale donnée par l'approche numérique est plus faible que celle obtenue avec la solution "métastable". Ces différentes considérations nous ont permis d'introduire quelques grandeurs couramment utilisées dans l'industrie comme la ténacité à l'arrêt.<br> Dans un troisième temps nous avons cherché à analyser l'influence d'un défaut sur la propagation d'une fissure. Pour cela nous avons utilisé le modèle de film précédemment défini et la discontinuité de ténacité a été remplacé par un défaut. On montre que le décollement du film est brutal à travers le défaut, redevient stable en sortie de défaut et converge (lorsque la vitesse du chargement tend vers zéro) vers une courbe limite que l'on nomme "couche limite". Ensuite après un temps suffisamment long, la couche limite regagne la solution quasi-statique. Nous avons montré que cette couche limite peut s'interpréter d'un point de vue énergétique par un mécanisme de relaxation de l'énergie cinétique. Différentes interprétations de ce phénomène en statique et en dynamique sont présentées et en paticulier des ténacités apparentes sont introduites. Dans un quatrième temps nous nous sommes intéressés à l'influence d'un milieu contenant une infinité de défauts. Le même modèle de film est utilisé avec une infinité de défauts. Différentes solutions quasi-statiques sont présentées, en particulier la solution métastable et celle obtenue avec une approche de type minimum global de l'énergie. En dynamique deux approches différentes sont étudiées: une première qui permet de construire la solution limite (lorsque la vitesse du chargement tend vers zéro) et une seconde plus directe et qui consiste à prendre en compte toutes les ondes. Pour la seconde méthode, un passage à la limite (vitesse de chargement) sera effectué de façon numérique. Au final on obtient que lorsque la taille des défauts tend vers zéro et que le chargement devient quasi-statique alors une ténacité équivalente du milieu apparait.

Ce mémoire s'intéresse au comportement hydro-mécanique de l'argilite. On montre que la théorie classique de Biot n'est pas du tout adaptée au cas de l'argilite. Une loi de comportement originale est alors construite grâce à des outils d'homogénéisation, en intégrant la microstructure de l'argilite et des phénomènes physiques existant aux échelles microscopiques, tels la surpression de gonflement au niveau des particules d'argile et les effets capillaires au niveau du réseau poreux. Cette loi de comportement permet d'expliquer tout un jeu d'expériences qui ne l'était pas par la théorie classique de Biot. Elle est ensuite enrichie pour intégrer les données expérimentales que sont la dépendance du tenseur d'élasticite au degré de saturation et la présence d'une porosité autour des inclusions. Cette loi de comportement pertinente, exploitée à partir du suivi dimensionnel d'échantillons sous chargement hydrique, permet de proposer une estimation pour le tenseur de Biot pour l'argilite. Afin d'alimenter cette équation d'état, on s'intéresse par ailleurs aux variations du degré de saturation d'un échantillon lors d'un séchage. Deux modèles de séchage sont étudiés et comparés, puis une modélisation du réseau poreux est proposée afin d'expliquer les mesures atypiques de perméabilité.

Cette thèse présente deux principaux sujets de recherche indépendants, le dernier regroupant deux problématiques distinctes. Dans la première partie nous nous intéressons au problème du transport optimal martingale, dont le but premier est de trouver des bornes de non-arbitrage pour des options quelconques. Nous nous intéressons tout d'abord à la question en temps discret de l'existence d'une loi de probabilité sous laquelle le processus canonique est martingale, ayant deux lois marginales fixées. Ce résultat dû à Strassen (1965) est le point de départ pour le problème primal de transport optimal martingale. Nous en donnons une preuve basée sur des techniques financières de maximisation d'utilité, en adaptant une méthode développée par Rogers pour prouver le théorème fondamental d'évaluation d'actif. Ces techniques correspondent à une version en temps discrétisé du transport optimal martingale. Nous considérons ensuite le problème de transport optimal martingale en temps continu introduit dans le cadre des options lookback par Galichon, Henry-Labordère et Touzi. Nous commencons par établir un résultat de dualité partiel concernant la surcouverture robuste d'une option quelconque. Pour cela nous adaptons au transport optimal martingale des travaux récents de Neufeld et Nutz. Nous étudions ensuite le problème de maximisation d'utilité robuste d'une option quelconque avec fonction d'utilité exponentielle dans le cadre du transport optimal martingale, et en déduisons le prix d'indifférence d'utilité robuste, sous une dynamique où le ratio de sharpe est constant et connu. Nous prouvons en particulier que ce prix d'indifférence d'utilité robuste est égal au prix de surcouverture robuste. La deuxième partie de cette thèse traite tout d'abord d'un problème de liquidation optimale d'un actif indivisible. Nous étudions la profitabilité de l'ajout d'une stratégie d'achat et de vente d'un actif orthogonal au premier sur la stratégie de liquidation optimale de l'actif indivisible. Nous fournissons ensuite quelques exemples illustratifs. Le dernier chapitre de cette thèse concerne le problème du prix d'indifférence d'utilité d'une option européenne en présence de petits coûts de transaction. Nous nous inspirons des travaux récents de Soner et Touzi pour obtenir un développement asymptotique des fonctions valeurs des problèmes de Merton avec et sans l'option. Ces développements sont obtenus en utilisant des techniques d'homogénisation. Nous obtenons formellement un système d'équations vérifiées par les composantes du problème et nous vérifions que celles-ci en sont bien solution. Nous en déduisons enfin un développement asymptotique du prix d'indifférence d'utilité souhaité.

L'emploi de matériaux composites dans le domaine du Génie Electrique est actuellement un sujet de recherche en plein essor, notamment pour des considérations d’économie d'énergie. Les composites magnétiques doux (SMC - Soft Magnetic Composites) intègrent les propriétés de leurs différents constituants. Ils sont conçus pour présenter une perméabilité élevée et avoir une faible densité de pertes par courants de Foucault (EC - Eddy Current) par comparaison aux structures plus classiques comme l'acier laminé. Néanmoins, la détermination des propriétés électromagnétiques des SMC n’est pas aisée. Une approche classique est d’appliquer les outils numériques tels que la méthode des éléments finis (FEM - Finite Element Method) pour obtenir une description complète du SMC. Cependant, la microstructure doit être finement maillée, ce qui représente un fardeau numérique significatif et des instabilités dans l'approche par FEM. Pour surmonter cette restriction, les méthodes d'homogénéisation semi-analytiques sont appliquées. Ce travail consiste d'abord à développer un modèle de perméabilité complexe pour SMC. La perméabilité magnétique et les pertes EC sont intégrées respectivement comme les parties réelle et imaginaire de la perméabilité complexe. La perméabilité magnétique effective macroscopique peut s’obtenir par des estimations classiques en homogénéisation. Une détermination correcte de la perméabilité effective, i.e. la partie réelle de la perméabilité complexe, est cruciale pour une estimation précise de pertes EC. Les formules de pertes EC sont dérivées pour des SMC à microstructure périodique dans les cas 2D et 3D. En outre, différentes approches s’appuyant sur différentes moyennes du champ magnétique permettent d’obtenir des limites inférieures et supérieures pour l’estimation des pertes EC dans les SMC. La perméabilité complexe ainsi obtenue est ensuite appliquée à une structure de transformateur. Le champ magnétique et la répartition des pertes EC peuvent être obtenus sur le transformateur équivalent (homogénéisé). Les résultats sont comparés aux calculs en champ complet du transformateur hétérogène. Un bon accord est observé. Enfin, on étudie l'effet des contraintes mécaniques sur la perméabilité magnétique et les pertes EC des SMC, ce qui conduit à une formule couplée de la densité de pertes EC en fonction de la contrainte macroscopique et du champ magnétique. / Composite materials have been widely used in Electrical Engineering, and they have stimulated a growing number of scientific research, especially when it comes to energy savings. Soft Magnetic Composites (SMC) incorporate the attributes of different constituents. They can be designed to exhibit high permeability and to dissipate low Eddy Current (EC) losses compared to more conventional structures such as laminated steel. Nevertheless, electromagnetic properties of SMC are not easily determined. Numerical tools such as finite element method (FEM) are usually employed to provide a full-field description of SMC. As the microstructure has to be finely meshed, it brings significant numerical burden and instabilities. To overcome this restriction, semi-analytical homogenization methods are adapted and applied here. They consist in developing a complex permeability model. In the complex permeability model for SMC, the static magnetic permeability and EC losses are integrated respectively as the real and imaginary part of the complex permeability. Classical estimates are applied to determine the macroscopic effective magnetic permeability. A correct determination of the effective permeability, i.e. the real part of the complex permeability, is crucial for the estimate of EC losses. EC losses formulas are derived for SMC with periodic microstructure in 2D and 3D cases. Furthermore, different approaches of field averaging are employed to obtain lower and upper bounds on the EC losses in SMC. The complex permeability model is then applied to analyze a transformer structure. The magnetic field and EC losses distribution can be obtained on the equivalent homogenized transformer. The results are compared to the full-field calculations on the heterogeneous transformer. A good consistency is observed. Finally, the effect of mechanical stress on the magnetic permeability and loss property of SMC is studied, which leads to a coupled formula of EC loss density as a function of macroscopic stress and magnetic field.