Dans la plupart des applications concernant un fluide s'écoulant sur une surface solide, la condition de non-glissement est largement utilisée car elle est simple et produit des résultats en accord avec les expériences. Toutefois, cette condition de limite n'est plus appropriée lorsque l'écoulement considéré est à l'échelle micro ou nano-métrique. Pour modéliser cet effet à l'échelle macroscopique, les conditions aux limites de Navier ont été introduites, avec la longueur de glissement comme paramètre. Lorsque le fluide est un gaz, cette longueur est liée au coefficient d'accommodation tangentiel (TMAC) et au libre parcours moyen, selon le modèle de Maxwell. Le but de ce travail est de traiter systématiquement ce modèle par une approche multi échelle et de l'étendre en incorporant la morphologie et l'anisotropie de la surface. La thèse est composée de cinq chapitres. Après l'Introduction, les notions de base de la théorie cinétique des gaz, l'équation de Boltzmann et les solutions associées (Navier-Stokes-Fourier, Burnett, Grad, Direct Simulation Monte Carlo…) sont rappelées dans le chapitre 1. Les modèles d'interaction gaz-paroi ainsi que les modèles de glissement introduits dans le cadre le la mécanique des fluides sont aussi rappelés. Le chapitre se termine par la description de la méthode de calcul par dynamique moléculaire (MD) utilisée dans ce travail. Le chapitre 2 est dédié au développement d'une technique simple afin de simuler les écoulements induits par la pression. Le principe est de se baser sur les formules atomistiques du tenseur des contraintes (Irving Kirkwood, Méthode de Plan, Contraintes Virielles) et de modifier les conditions périodiques, tout en maintenant la différence entre l'énergie cinétique des atomes à l'entrée et à sortie du domaine de calcul. Plusieurs types de conduite sont étudiés avec cette technique. Les résultats (température, vitesses, …) sont discutés et comparés. Le chapitre 3 concerne l'étude du potentiel d'interaction gaz-paroi par la méthode ab-initio. Le code CRYSTAL 09 est utilisé pour obtenir le potentiel entre un atome d'argon (Ar) et une surface de platine (Pt) <111> en fonction de la distance. Ensuite, le potentiel atome/surface est décomposé en potentiel binaire et approché par une fonction analytique. Cette fonction est ensuite implémentée dans un code MD pour simuler les collisions gaz-paroi et déterminer le coefficient TMAC.Dans le chapitre 4, l'effet de morphologie est étudié. Le potentiel multi-corps Quantum Sutton Chen(QSC) est utilisé pour le solide Pt <100> et un des potentiels binaires étudié dans le chapitre précédent pour le couple Ar-Pt. Le potentiel QSC est nécessaire pour reproduire l'effet de surface qui affecte le résultat final. Différentes surfaces sont traitées : surface lisse, surface nanostructurée, surface aléatoire obtenue par déposition de vapeur (CVD). Le coefficient TMAC est déterminé de façon généralisée, c.à.d en fonction de l'angle du flux d'atomes incidents sur la surface. Les anisotropies de surface et le noyau de collision sont également examinés. Dans le chapitre 5, on propose un modèle de glissement anisotrope pour les fluides en fonction du tenseur d'accommodation. Le modèle est obtenu par les calculs analytiques approchés développés dans le cadre de la théorie cinétique. On a ainsi généralisé l'équation de Maxwell en montrant que le tenseur de longueur de glissement est directement lié au tenseur d'accommodation. Le modèle est en bon accord avec les résultats de la méthode MD. Concernant la simulation MD, on a développé une technique pour reproduire l'anisotropie du tenseur d'accommodation. Le mémoire de thèse se termine par une synthèse des résultats obtenus. Des perspectives pour de futures études sont proposées / In most applications concerning a fluid flowing over a solid surface, the no-slip velocity condition was widely used because it is simple and produces the results in agreement with experiments. However, this dynamical boundary condition is not appropriate when the flow under consideration is at a micro or nano length scale.In order to model this effect at the macroscopic scale, the Navier boundary conditions have been introduced, with the slip length as a parameter. When the fluid is a gas, this length is related to the tangential momentum accommodation coefficient (TMAC) and the mean free path, according to the Maxwell model. The aim of this work is to systematically address this model using a multi-scale approach and to extend it by incorporating both the morphology and the anisotropy of a surface. The thesis consists of five chapters. In Chapter 1, the basics of the kinetic theory of gases, the Boltzmann equation and related solutions (Navier-Stokes-Fourier, Burnett, Grad, Direct Simulation Monte Carlo ...) are briefly presented. The models of gas-wall interaction and slip models introduced in the fluid mechanics are also recalled. The chapter ends with a description of the computational method used for the molecular dynamics simulations performed in this work. Chapter 2 is dedicated to the development of a simple technique to simulate the pressure driven flows. The principle is to rely on the atomistic formulas of the stress tensor (Irving Kirkwood, Method of Plane, Virial Stress) and to modify the periodic conditions by maintaining the difference between the kinetic energy of the ingoing and outgoing particles of the simulation domain. Several types of channels are studied with this technique. The results (temperature, velocity ...) are discussed and compared. Chapter 3 deals with the study of the gas-wall interaction potential by the ab-initio method. The code CRYSTAL 09 is used to obtain the potential between an atom of argon (Ar) and a surface of platinum (Pt) <111> as a function of distance. Then the gas-wall potential is decomposed into binary potential and approached by an analytic function. This function is then implemented in a MD code to simulate the gas-wall collisions and determine the TMAC coefficient. In Chapter 4, the effect of morphology is studied. The multi-body Quantum Sutton Chen (QSC) potential is used for Pt <100> solid and the binary potential proposed in the previous chapter for the Ar-Pt couple is employed. The QSC potential is needed to reproduce the surface effects that affect the final results. Different surfaces are treated : smooth, nanostructured surface and, random surface obtained by Chemical vapor deposition (CVD). The TMAC is determined using a generalized approach, i.e. depending on the angle of incident flux of gas atoms on the surface. The surface anisotropy and the scattering kernel are also examined. In Chapter 5, we propose a model of anisotropic slip for fluids based on accommodation tensor. The model is obtained by the analytical approximate calculations developed in the framework of the kinetic theory. We thus generalize Maxwell's equation by showing that the slip length tensor is directly related to the accommodation tensor. The model is in good agreement with the MD results. Thanks to our MD simulations, we develop a suitable technique for reproducing the anisotropy of the accommodation tensor. The thesis ends with a conclusion section in which we suggest some perspectives for a continuation of this work

Bien que reconnu comme une étape importante vers une meilleur compréhension de l’évolution des tumeurs, de la morphogénèse des tissus et des tests hauts débits de médicaments, l’utilisation de tests cellulaires in vitro en trois dimensions est toujours limitée et ce surtout par la difficulté d’établir un protocole simple et robuste pour leur formation. Dans ce travail, nous présentons d'abord une nouvelle méthode microfluidique pour la formation des sphéroïdes multicellulaires. Cette technologie des Capsules cellulaire est basée sur l'encapsulation et la croissance des cellules à l'intérieur de micro- sphères creuses, perméable, élastiques. Deuxièmement, nous montrons que ces microcapsules servent de capteurs mécaniques pour mesurer la pression exercée par les sphéroïdes expansion. En imagerie en temps réel multi- photons, on observe en outre que le confinement induit une organisation cellulaire stratifiée, avec un noyau nécrotique, solide et dense, entouré d'un rebord de cellules périphériques hyper-mobiles, qui présentent des propriétés invasives. Troisièmement, nous avons adapté la technologie des capsules cellulaires pour former des tubes creux. Cette géométrie cylindrique nous permet d'étudier l'impact de la libération partielle de confinement (le long de l'axe du tube principal) sur la cinétique de croissance d’agrégats cellulaires pseudo-unidimensionnel (nommé cylindroids). Nos données de microscopie et l’analyse d'images suggèrent un mécanisme de croissance par pointe et la prouvent la génération d’une contrainte radiale. La combinaison des configurations sphériques et cylindriques tend vers l'image globale du confinement qui déclenche la motilité cellulaire et l'invasion par la périphérie de l'agrégat cellulaire tandis que la prolifération des cellules est inhibée dans le noyau lorsque la pression augmente. Quatrièmement, nous utilisons l’alginate comme moule pour concevoir des coquilles et tubes multicouches perméables. En particulier, une légère adaptation du protocole nous permet d'ancrer une fine couche de Matrigel (utilisé comme une membrane basale artificielle) sur la paroi interne de l'alginate. Par l'utilisation de ces capsules sphériques décorés de Matrigel, nous montrons que les monocouches sphériques fermés de cellules épithéliales, ou des kystes, peuvent être facilement conçus avec des tailles qui sont imposées par la taille des capsules. De même, les capsules tubulaires décorées de Matrigel sont utilisées pour la formation des organoïds cultivés à partir de cellules extraites des cryptes du côlon de la souris. Enfin, notre technologie offre une nouvelle voie pour produire dans les tests cellulaires in vitro utiles pour développer de nouvelles thérapies anticancéreuses ou des approches d'ingénierie tissulaire et d'étudier l'interaction entre la mécanique et de la croissance dans les agrégats cellulaires in vitro. / Although recognized as an important step towards better understanding of tumor progression, tissue morphogenesis and high throughput screening of drugs, the use of three dimensional in vitro cellular assays is still limited, especially due to the difficulty in establishing simple and robust protocols for their formation. In this work, we first present a novel microfluidics-assisted method for multicellular spheroids formation. This Cellular Capsules technology is based on the encapsulation and growth of cells inside permeable, elastic, hollow micro-spheres. Second, we show that these microcapsules serve as unique mechanical sensors to measure the pressure exerted by the expanding spheroids. By multiphoton live imaging, we additionally observe that confinement induces a layered cellular organization, with a dense, solid, necrotic core surrounded by a rim of hyper-motile peripheral cells, which exhibit enhanced invasive properties. Third, we adapt the Cellular Capsules technology to form hollow tubes. This cylindrical geometry allows us to investigate the impact of partial confinement release (along the main tube axis) on the growth kinetics of pseudo-one dimensional cellular aggregates (named cylindroids). Our microscopy data and image analyses suggest a tip-growing mechanism and evidence radial stress generation. The combination of the spherical and cylindrical configurations leads to the overall picture that confinement triggers cell motility and invasion at the periphery of the cellular aggregate while cell proliferation is inhibited in the core as pressure builds up. Fourth, we use alginate as a template to design multilayered permeable shells and tubes. In particular, slight adaptation of the protocol allows us to anchor a thin layer of Matrigel (used as an artificial basement membrane) to the alginate inner wall. Using these Matrigel-decorated spherical capsules, we show that closed spherical monolayers of epithelial cells, or cysts, can be readily engineered with sizes that are imposed by the size of the capsules. Similarly, Matrigel-decorated tubular capsules are shown to be convenient for the formation of organoids grown from cells extracted from the cypts of mouse colon. Finally, our technology offers a new avenue to produce in vitro cell-based assays useful for developing new anti-cancer therapies or tissue engineering approaches and to investigate the interplay between mechanics and growth of in vitro cellular assemblies.

L’environnement naturel des levures est constitué d’une communauté de cellules. Les chercheurs, cependant, préfèrent étudier les levures dans des environnements plus simples et homogènes, comme des cultures en cellule unique ou en population, s’affranchissant ainsi de la complexité de la croissance spatiotemporelle, la différentiation, l’auto-organisation, ainsi que la façon dont ces caractéristiques sont formées et s’entrelacent à travers l’évolution et l’écologie. Nous avons mis en place un dispositif microfluidique multicouches permettant la croissance de colonie de levures dans des environnements dynamiques, spatialement structurés, contrôlés, partant d’une monocouche de levures à une colonie multicouches. La croissance des colonies, dans son ensemble comme à des positions spécifiques, est le résultat de la formation d’un gradient de nutriment au sein de celles-ci - gradient qui trouve son origine dans le différent taux de diffusion des nutriments, des taux d’absorption de ceux-ci par les cellules, ainsi que de leurs concentrations initiales. Lorsqu’un nutriment en quantité limitante (par exemple le glucose ou un acide aminé) est épuisé, à une distance spécifique de la source de nutriments, les cellules au sein de la colonie cessent de croitre. Nous avons été en mesure de moduler cette distance spécifique en variant la concentration initiale de nutriments ainsi que le taux d’absorption des cellules. Les motifs d’expression de gènes de la colonie nous ont donné des informations sur la formation de micro environnements spécifiques ainsi que sur le développement subséquent, la différentiation et l’auto-organisation. Nous avons quantifié les motifs d’expression de sept gènes de transport du glucose (HXT1-7), chacun exprimé spécifiquement suivant la concentration de glucose, ce qui nous a permis de reconstituer la formation de gradients de glucose au sein d’une colonie. En étudiant des gènes spécifiques de la fermentation et de la respiration, nous avons pu observer la différentiation en deux sous-populations. Nous avons de plus cartographié l’expression de gènes impliqués dans différentes parties du métabolisme des glucides, suivi et quantifié la dynamique spatio-temporelle de croissance et d’expression génétique et finalement modélisé la croissance de la colonie ainsi que la formation du gradient de nutriment. Pour la première fois, nous avons observé la croissance, la différentiation et l’auto-organisation des colonies de S. cerevisiae avec une résolution spatio-temporelle jusqu’à maintenant inégalée / The natural environment of yeast is often a community of cells but researchers prefer to study them in simpler homogeneous environments like single cell or bulk liquid cultures, losing insight into complex spatiotemporal growth, differentiation and self-organization and how those features are intertwined and shaped through evolution and ecology. I developed a multi-layered microfluidic device that allows us to grow yeast colonies in spatially controlled dynamically structured changing environments from a monolayer of single yeast cells to a multi-layered colony. Colony growth, as a whole and at specific locations, is a result of the nutrient gradient formation within a colony through interplay of nutrient diffusion rates, nutrient uptake rates by the cells and starting nutrient concentrations. Once a limiting nutrient (e.g. glucose or amino acids) is depleted at a specific distance from the nutrients source the cells within a colony stop to grow. I was able to modulate this specific distance by changing the starting nutrient concentrations and uptake rates of cells. Colony gene expression patterns gave us information on specific micro environments formation and consequential development, differentiation and self-organization. I quantified the patterns of expression of seven glucose transporter genes (HXT1-7), each of them specifically expressed depending on the glucose concentration. This enabled us to reconstruct glucose gradients formation in a colony. I further followed the expression of fermentation and respiration specific genes and observed differentiation between two subpopulations. We also mapped other genes specific for different parts of carbohydrate metabolism, followed and quantified the spatiotemporal dynamics of growth and gene expression, and finally modelled the colony growth and nutrient gradient formation. For the first time, we were able to observe growth, differentiation and self-organization of S. cerevisiae colony with such an unprecedented spatiotemporal resolution

La relation qui lie la séquence d'une protéine à sa fonction nous échappe toujours en grande partie, pourtant elle est essentielle à la compréhension de l'évolution moléculaire.La microfluidique permet de remplacer les traditionnels tubes à essais par des micro-gouttelettes afin de tester séparément des mutants d'enzyme à des fréquences de l'ordre du kilohertz. Cette technique fournit un moyen de coupler le génotype et le produit de l'activité enzymatique (phénotype). Sélectionner et récupérer les gouttelettes sur demande et séquencer leur contenu permet d'effectuer la cartographie génotype-phénotype de millions de mutants d'enzymes en une seule expérience.Au cours de cette thèse, j'ai tout d'abord développé un système microfluidique basé sur l'expression de protéines in vitro afin de pouvoir réaliser la cartographie génotype-phénotype de Streptomyces griseus aminopeptidase (SGAP). Des gènes mutants de l'enzyme SGAP sont encapsulés (un par gouttelette au maximum) amplifiés, exprimés et testés contre un substrat fluorogénique. Des incompatibilités entre les étapes d'amplification, d'expression et d'essai enzymatique en gouttelettes obligent à réaliser chacune de ces étapes séparément et successivement, afin de diluer le produit de chaque réaction par l'électro-coalescence des gouttelettes. Je montre qu'un work-flow microfluidique dans lequel (i) les gènes sont encapsulés et amplifiés dans des gouttes de 0.2 pL, (ii) exprimés in vitro, (iii) testés contre un substrat fluorogenique dans des gouttelettes de 20 pL, permet de mesurer l'activité de variants de SGAP avec un contraste important. Afin d'optimiser l'essai enzymatique en gouttelettes de SGAP, j'ai aussi développé, en collaboration avec Dr. Johan Fenneteau (Laboratoire de Chimie Organique, ESPCI Paristech), un nouveau substrat fluorogénique basé sur une rhodamine hydrophile. Cette sonde est caractérisée par un échange limité de la rhodamine entre les gouttelettes.J'ai ensuite développé un work-flow microfluidique in vivo, pour Ratus norvegicus trypsin (la trypsine du rat), dans lequel les capacité de sécrétion de Bacillus subtilis sont utilisées afin de simplifier les expériences. Des cellules uniques de B. subtilis sont encapsulées dans des gouttelettes de 20 pL où elles sécrètent des mutants de la trypsine en protéine de fusion avec un rapporteur permettant de mesurer le niveau d'expression. Les mutants sont testés par électro-coalescence avec des gouttelettes de 2 pL contenant un substrat fluorogénique de la trypsine. En normalisant l'activité totale détectée par la fluorescence du rapporteur du niveau d'expression, l'efficacité catalytique peut être directement mesurée en gouttelettes. C'est la première fois qu'un système expérimental d'essai enzymatique haut-débit fournit l'opportunité de mesurer directement l’efficacité catalytique de mutants d'une enzyme à une fréquence de l'ordre du kilo Hertz. Une méthode afin de réaliser la mutagenèse saturée (tous les simples mutants) du gène de la trypsine du rat a aussi été développée. Combinée au séquençage nouvelle génération, la méthode microfluidique développée permettra de réaliser la première cartographie génotype-phénotype de tous les simples mutants de la trypsine du rat / The question of how sequence encodes proteins' function is essential to understand molecular evolution but still remains elusive.Droplet-based microfluidics allows to use micro-metric droplets as reaction vessels to separately assay enzyme variants at the kHz frequency. It also provides an elegant solution to couple the genotype with the product of the catalytic activity of enzymes. Sorting droplets on demand and sequencing their content enables to map the genotype of millions of enzyme variants to their phenotype in a single experiment.First, I developed a cell-free microfluidic work-flow to carry out genotype-phenotype mapping of Streptomyces griseus aminopeptidase (SGAP). Single enzyme variant genes are encapsulated and amplified in droplets, expressed, and assayed against a fluorogenic substrate. Incompatibilities between gene amplification, expression and assay reactions, constrain to execute each one of those steps successively and to dilute the product of each reaction by droplet electro-coalescence. I show that a work-flow in which (i) genes are encapsulated and amplified into 0.2 pL droplets, (ii) expressed using cell-free expression reagents in 2 pL droplets and (iii) assayed with a fluorogenic substrate in 20 pL droplets, allows to measure SGAP variants activity with high contrast. To optimize the SGAP droplet assay, I also developed in collaboration with Dr. Johan Fenneteau (Laboratory of Organic Chemistry, ESPCI Paristech), a hydrophilic rhodamine based substrate, characterized by limited exchange of the released fluorophore between droplets.Second, I developed an in vivo microfluidic work-flow on Ratus norvegicus trypsin (rat trypsin), in which Bacillus subtilis secretion abilities are used to simplify the microfluidic work-flow. Single B. subtilis cells are encapsulated in 20 pL droplets where they secrete trypsin variants as fusion proteins with a fluorescent expression-level reporter. The variants are assayed by droplet electro-coalescence with 2 pL droplets containing a trypsin fluorogenic substrate. Trypsin variants catalytic efficiency can be directly measured in droplets, by normalizing the total trypsin activity by the expression-level reporter fluorescence. This is the first time a high-throughput protein assay work-flow gives the opportunity to directly measure the catalytic efficiency of enzyme variants at the kHz frequency. A method to carry out saturated mutagenesis on the rat trypsin gene was also developed. Together with deep sequencing, the developed experimental work-flow will allow to perform the first quantitative genotype-phenotype mapping of all single point mutants of the rat trypsin protein

Malgré les progrès réalisés dans le séquençage de l’ADN, nous n’avons pas encore compris comment le phénotype d’un organisme se rapporte au contenu de son génome. Cependant, il est devenu clair que l'impact des gènes dépend du contexte. La simple présence d'un gène dans un génome ne nous informe pas du moment où il est exprimé et des autres gènes qui y sont exprimés. Comprendre comment l'expression des gènes est régulée est un élément nécessaire pour comprendre comment les phénotypes émergent d'un génotype donné. Les facteurs de transcription, qui peuvent activer ou réprimer l'expression d'un gène, forment un réseau complexe d'interactions entre eux et leurs gènes ciblés. Ce réseau consiste en une hiérarchie de groupes de facteurs de transcription fortement liés, chacun lié à des processus cellulaires distincts. La structure de ce réseau de régulation transcriptionnelle est-elle significative pour la réponse transcriptionnelle d'une cellule? Ici, nous utilisons une protéine de liaison à l'ADN programmable appelée CRISPR (répétitions courtes palindromiques groupées régulièrement) pour perturber l'expression génique des régulateurs globaux au sein du réseau de régulation transcriptionnelle. Ces régulateurs mondiaux régulent de nombreux processus cellulaires distincts et ont de nombreuses cibles génétiques. Le système CRISPR nous permet de perturber ces régulateurs dans toutes les combinaisons possibles, y compris les perturbations d'ordre supérieur avec tous les régulateurs mondiaux potentiellement ciblés perturbés en même temps. Nous enregistrons ensuite à la fois le modèle d'expression du transciptome en utilisant le séquençage de l'ARN et l'adéquation de chaque souche. Nous trouvons que la structure du réseau de régulation augmente la dimensionnalité de la réponse transcriptionnelle plutôt que de la réduire. Cela se traduit par une épistasie importante au-delà des interactions par paires. Cela a des implications sur la façon dont ces réseaux évoluent. L'épistasie par paires que nous trouvons entre les facteurs de transcription globaux repose sur la présence ou l'absence d'autres perturbations. Cela implique que d'autres perturbations pourraient agir comme des mutations de potentialisation. Le nombre de voies d'évolution potentielles augmente avec les épistasies d'ordre élevé, même si cela ne nous dit rien sur la qualité de ces voies. Fait important, les répliques de cette thèse sont toujours en cours et les données présentées ici n’ont pas encore exclu les artefacts expérimentaux. / Despite advances in DNA sequencing, we have yet to understand how an organism’s phenotype relates to the contents of their genome. However it has become clear that the impact of genes are context dependant. The mere presence of a gene within a genome does not inform us of when it is expressed, and which other genes are expressed along with it. Understanding how gene expression is regulated is a necessary piece of understanding how phenotypes emerge from a given genotype. Transcription factors, which can activate or repress the expression of a gene, form a complex network of interactions between themselves and their targeted genes. This network consists of a hierarchy of groups of strongly connected transcription factors, each relating to distinct cellular processes. Is the structure of this transcriptional regulatory network significant to the transcriptional response of a cell? Here we use a programmable DNA binding protein called CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) to perturb gene expression of global regulators within the transcriptional regulatory network. These global regulators are regulating many distinct cellular processes and have many genetic targets. The CRISPR system allows us to perturb these regulators in all possible combinations, including higher order perturbations with potentially all targeted global regulators perturbed at the same time. We then record both the expression pattern of the transciptome using RNA sequencing, and the fitness of each strain. We find that the structure of the regulatory network increases the dimensionality of the transcriptional response rather than reducing it. This results in significant high order epistasis beyond pair-wise interactions. This has implications for how these networks evolve. The pair-wise epistasis we find between global transcription factors rely on the presence or absence of other perturbations. This implies that other perturbations could act as potentiating mutations. The number of potential evolutionary paths increases with high order epistasis, although this alone tells us nothing about the quality of those paths. Importantly, the replicates for this thesis are still on-going and the data presented here has not yet excluded experimental artefacts.

Rapid and reliable diagnostics of a disease represents one of the main focuses of today’s academic and industrial research in the development of new sensor prototypes and improvement of existing technologies. With respect to demographic changes and inhomogeneous distribution of the clinical facilities worldwide, especially in rural regions, a new generation of miniaturized biosensors is highly demanded offering an easy deliverability, low costs and sample preparation and simple usage. This work focuses on the integration of nanosized electronic structures for high-specific sensing applications into adequate microfluidic structures for sample delivery and liquid manipulation. Based on the conjunction of these two technologies, two novel sensor platforms were prototyped, both allowing label-free and optics-less electrochemical detection ranging from molecular species to eukaryotic micron-sized human cells.:Table of Figures List of Tables Abbreviations List of Symbols 1 Introduction 1.1 Motivation 1.2 State of the art 1.3 Scope of this thesis 2 Fundamentals 2.1 Sensors at the nanoscale 2.2 Transistors technology 2.2.1 p-n junction 2.2.3 The MOSFET 2.2.4 The ISFET and BioFET 2.3 Impedance measurements for biodetection 2.3.1 Electrical impedance spectroscopy 2.3.2 Electrical impedance cytometry 2.4 Microfluidics 2.4.1 Definition 2.4.2 Droplet-based microfluidics 2.5 Biomarkers for sensing applications 2.5.1 Peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) 2.5.2 Physical parameters 3. Material and methods 3.1 General 3.1.1 Materials and chemicals 3.1.2 Surface cleaning 3.2 Lithography 3.2.1 Electron beam lithography 3.2.2 Laser lithography 3.2.3 UV lithography 3.2.4 Soft lithography 3.3 Thermal deposition of metals 3.4 APTES functionalization 3.4.1 Fluorescent labeling of APTES 3.5 Measurement devices 3.5.1 SiNW FET measurements 3.5.2 Electrical Impedance cytometry measurements 3.6 Bacteria and cell cultivation 3.6.1 PBMC purification and treatment 3.6.2 Bacteria cultivation 4. Compact nanosensors probe microdroplets 4.1 Overview 4.2 Fabrication 4.2.1 SiNW FET fabrication 4.2.2 SiNW FET modification for top-gate sensing 4.3 Electrical characterization 4.4 Flow-focusing droplet generation 4.4.1 Flow-focusing geometry 4.4.2 Flow-focusing droplet characterization 4.4.3 Microfluidic integration 4.5 Deionized water droplet sensing 4.6 Phosphate-buffered saline (PBS) droplet sensing 4.6.1 Influence of the droplet’s ionic concentration 4.6.2 Plateau formation in dependence of the droplet’s settling time 4.6.3 Droplet analysis by their ratio 4.6.4 Dependence on pH value 4.6.5 Long time pH sensing experiment 4.6.6 Dependence on ionic concentration 4.7 Tracking of reaction kinetics in droplets 4.7.1 Principle and setup of the glucose oxidase (GOx) enzymatic test 4.7.2 GOx enzymatic assay 4.8 Stable baseline by conductive carrier phase 5. Impedance-based flow cytometer on a chip 5.1 Overview 5.2 Overview of the fabrication of the sensor device 5.3 COMSOL simulation of sensing area 5.3.1 Prototyping of the sensing geometry 5.3.2 Optimization of the sensing geometry 5.3.3 Evaluation of the working potential 5.3.4. Scaling of the sensing area 5.4 Fabrication of the nanoelectronic sensing structure 5.4.1 Nanofabrication and analysis 5.4.2 Evaluation of the proximity effect 5.5 Microcontacting of nanostructured sensing structures 5.6 Electrical characterization of the sensing structure 5.6.1 Characterization in alternating current 5.6.2 Characterization in direct current (DC) 5.7 Scaling effect of nanostructures in static sensing conditions 5.8 Multi-analyte detection on the sensor 5.9 Microfluidic focusing system 5.9.1 1D focusing using FITC-probed deionized water 5.9.2 2D Focusing using fluorescent microparticles 5.10 Microfluidic integration of the two technologies 5.11 Dynamic SiO2 particle detection 5.11.1 Single particle detection 5.11.2 Scatter plot representation 5.11.3 Effect of the sensing area in dynamic particle detection 5.11.4 Dynamic detection of SiO2 particles with different diameters 5.12 Detection of peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) 5.12.1 Overview 5.12.2 PBMC classification detected by impedance cytometry 5.12.3 PBMC Long-time detection 5.13 Detection of acute myeloid leukemia by impedance cytometry 5.13.1 Manual analysis of the output response 5.13.2 Learning algorithm for automatic cell classification 5.14 Exploring the detection limit of the device 6. Summary and outlook Scientific output References Acknowledgements / Rasche und zuverlässige biologische Krankheitsdiagnostik repräsentiert eines der Hauptfokusse heutiger akademischer und industrieller Forschung in der Entwicklung neuer Sensor-Prototypen und Verbesserung existierender Technologien. In bezug auf weltweite demographische Änderungen und hohe Distanzen zu Kliniken, besonders in ländlichen Gegenden, werden zusätzliche Anfordungen an neue miniaturisierte Biosensor-Generationen gestellt, wie zum Beispiel ihre Transportfähigkeit, geringe Kosten und Probenpräparation, sowie einfache Handhabung. Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Integration nanoskalierter Strukturen zur Detektion chemischer und biologischer Spezies und mikrofluidischen Kanälen zu deren Transport und zur Manipulation der Ströme. Basierend auf der Verbindung dieser beiden Technologien wurden zwei Sensor-Plattformen entwickelt, die eine markierungsfreie und nicht-optische elektrische Detektion von Molekülen bis zu eukaryotischen menschlichen Zellen erlauben.:Table of Figures List of Tables Abbreviations List of Symbols 1 Introduction 1.1 Motivation 1.2 State of the art 1.3 Scope of this thesis 2 Fundamentals 2.1 Sensors at the nanoscale 2.2 Transistors technology 2.2.1 p-n junction 2.2.3 The MOSFET 2.2.4 The ISFET and BioFET 2.3 Impedance measurements for biodetection 2.3.1 Electrical impedance spectroscopy 2.3.2 Electrical impedance cytometry 2.4 Microfluidics 2.4.1 Definition 2.4.2 Droplet-based microfluidics 2.5 Biomarkers for sensing applications 2.5.1 Peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) 2.5.2 Physical parameters 3. Material and methods 3.1 General 3.1.1 Materials and chemicals 3.1.2 Surface cleaning 3.2 Lithography 3.2.1 Electron beam lithography 3.2.2 Laser lithography 3.2.3 UV lithography 3.2.4 Soft lithography 3.3 Thermal deposition of metals 3.4 APTES functionalization 3.4.1 Fluorescent labeling of APTES 3.5 Measurement devices 3.5.1 SiNW FET measurements 3.5.2 Electrical Impedance cytometry measurements 3.6 Bacteria and cell cultivation 3.6.1 PBMC purification and treatment 3.6.2 Bacteria cultivation 4. Compact nanosensors probe microdroplets 4.1 Overview 4.2 Fabrication 4.2.1 SiNW FET fabrication 4.2.2 SiNW FET modification for top-gate sensing 4.3 Electrical characterization 4.4 Flow-focusing droplet generation 4.4.1 Flow-focusing geometry 4.4.2 Flow-focusing droplet characterization 4.4.3 Microfluidic integration 4.5 Deionized water droplet sensing 4.6 Phosphate-buffered saline (PBS) droplet sensing 4.6.1 Influence of the droplet’s ionic concentration 4.6.2 Plateau formation in dependence of the droplet’s settling time 4.6.3 Droplet analysis by their ratio 4.6.4 Dependence on pH value 4.6.5 Long time pH sensing experiment 4.6.6 Dependence on ionic concentration 4.7 Tracking of reaction kinetics in droplets 4.7.1 Principle and setup of the glucose oxidase (GOx) enzymatic test 4.7.2 GOx enzymatic assay 4.8 Stable baseline by conductive carrier phase 5. Impedance-based flow cytometer on a chip 5.1 Overview 5.2 Overview of the fabrication of the sensor device 5.3 COMSOL simulation of sensing area 5.3.1 Prototyping of the sensing geometry 5.3.2 Optimization of the sensing geometry 5.3.3 Evaluation of the working potential 5.3.4. Scaling of the sensing area 5.4 Fabrication of the nanoelectronic sensing structure 5.4.1 Nanofabrication and analysis 5.4.2 Evaluation of the proximity effect 5.5 Microcontacting of nanostructured sensing structures 5.6 Electrical characterization of the sensing structure 5.6.1 Characterization in alternating current 5.6.2 Characterization in direct current (DC) 5.7 Scaling effect of nanostructures in static sensing conditions 5.8 Multi-analyte detection on the sensor 5.9 Microfluidic focusing system 5.9.1 1D focusing using FITC-probed deionized water 5.9.2 2D Focusing using fluorescent microparticles 5.10 Microfluidic integration of the two technologies 5.11 Dynamic SiO2 particle detection 5.11.1 Single particle detection 5.11.2 Scatter plot representation 5.11.3 Effect of the sensing area in dynamic particle detection 5.11.4 Dynamic detection of SiO2 particles with different diameters 5.12 Detection of peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) 5.12.1 Overview 5.12.2 PBMC classification detected by impedance cytometry 5.12.3 PBMC Long-time detection 5.13 Detection of acute myeloid leukemia by impedance cytometry 5.13.1 Manual analysis of the output response 5.13.2 Learning algorithm for automatic cell classification 5.14 Exploring the detection limit of the device 6. Summary and outlook Scientific output References Acknowledgements

The goal of submitted thesis is to perform a computer simulation of bubble creation in T-channel. In the first section of the paper, the theoretical applications of microfluidic bubble, micromachines and droplet formation are described. In the second part of the text, author uses cross flowing method for simulation od bubble creation. Furthermore, several settings in computer simulation software Fluent are mentioned. In addition, the influence of velocity at the T-channel inlet on surface tension and on bubble length is presented.

Microfluidic devices are more frequently being used in medicine as they operate with small amounts of test samples, such as blood or reagent chemicals. To work with such substances, effective mixing of the solution is usually required, which emerged as the most challenging problem in microfluidic systems. Due to the minor dimensions of the devices only laminar flow occurs, thus the turbulent eddies do not contribute to the mixing, but only the molecular diffusivity.

The thesis is focused on the development of the electrochemical system with microfluidic platform for the detection of multiple biomarkers. It analyses the use of biomarkers for the early diagnosis of cancer. The theoretical part contains basic information about voltammetric methods and microfluidic systems. The practical part provides solutions to the microfluidic chips, including the description of the used materials, designs, methodologies of preparation and conclusions from the testing of the manufactured microfluidic systems. The thesis describes the lock-in electrochemical system which measures the response of 4 electrochemical cells simultaneously. For the electrochemical system measurements, an electrochemical chip consisting of 64 electrochemical cells was used. The results of the analysis include the processing of the system tests and detected voltammetric curves of the Fe2+/Fe3+ solution and cysteine.

<p>Microparticles have been investigated not only as feedstock spherical or amorphous bulk materials used for shape molding, but also as agents that can perform work in the micron scale. The fabrication of microparticles with active properties of self-propulsion, self-assembly, and mobility with enhanced mechanical, thermal, and chemical properties is of particular interest for emerging technologies such as drug delivery, micro-robotics, micro energy generation/harvesting, and MEMS. Conventional fabrication methods can produce several complex particle shapes in one fabrication session or hundreds of spheroid shaped particles per second. Innovative techniques, as flow lithography, have demonstrated control over particle form and composition for continuous fabrication cycles. In recent years predefined shape polymer microparticles have been fabricated as well as ceramic microparticles through suspension processing with these set of techniques. Even though ceramic materials have been fabricated, there is still a strong need to increment the palette of available materials to be processed via flow lithography. We have pioneered the production of shaped ceramic microparticles by Stop-Flow Lithography (SFL) using preceramic polymers, providing control of particle size and shape in the range of 1 – 1000 μm. The principal arranged technique (SFL) combines aspects of PDMS-based microfluidics and photolithography for the continuous cyclable fabrication of microparticles with predefined shapes. The PDMS microchannel devices used were fabricated with vinyl film molds in a laminar hood avoiding the need for a cleanroom, procedure that reduced fabrication costs. After a fabrication session, the preceramic polymer microparticles were collected, washed, and dried before entering an inert atmosphere furnace for pyrolysis. Additionally, by treating the material initially as liquid polymer, special properties can be added by converting it into an emulsion or a suspension. Microparticles were functionalized by introducing porosity and magnetic nanoparticles in the preceramic polymer matrix. The porous characteristic of a particle leads to an increase in surface area, allowing the particle to be infiltrated with a catalyzer or act as a chemical/physical carrier, and the magnetic behavior of the particles allows a controllable trajectory with defined external magnetic fields. These two properties can be used to fabricate bifunctional microparticles to serve as drug carriers through human arteries and veins for drug delivery purposes. We successfully fabricated solid and functional ceramic microparticles in the 10 – 50 μm range with predefined shapes as hexagons, gears, triangles, and ovals. This system is an economical route to fabricate functional defined shape particles that can serve as microrobots to perform tasks in liquid media.</p>