Red blood cells (RBCs) form approximately 40 to 45% of the human blood volume, and their behaviour and characteristics are the main determinant of blood properties, such as viscosity. RBCs are deformable species and stack together under low shear rate to form aggregates or rouleaux. Flowing RBCs migrate away from the wall leaving a cell-depleted layer known as the cell-free layer (CFL). This layer contributes to the blood viscosity and exchange between the RBCs and the target cells: a thinner CFL enhances the exchange process by reducing the diffusion distance. The formation of this CFL, however, is not yet completely understood. The goal of this study is to improve the understanding of the formation of the CFL in the micro-flow. This was accomplished by studying the effects of changing both the flow rate and the microchannel geometry on blood flow in microchannels. In this work, 10% hematocrit human blood suspensions were prepared in native plasma and flowed through poly-dimethylsiloxane (PDMS) microchannels of 100 μm x 34 μm cross-section. Investigation of the flowing cells was performed by using micro particle image velocimetry (μPIV) coupled with a high-speed camera. First, the high-speed camera images were processed with customized Matlab programs to detect and measure the CFL thickness and the RBC aggregates sizes. Second, the blood flow velocity profiles were measured using μPIV in order to determine the actual flow rate, the RBCs’ centerline velocity, and the shear rate. The results showed that the increase in both flow rate and shear rate significantly reduced the CFL thickness and RBC aggregates size. Comparison of the upstream and downstream measurements in the bifurcating microchannel showed that the change in microchannel geometry did not significantly influence CFL thickness and RBC aggregate size, while within the daughter branches, RBCs tended to flow close to the inner wall resulting in an undetectable CFL at the inner wall and in a larger CFL at the outer wall of the branch. These in vitro results quantitatively relate CFL thickness and RBC aggregate size at different shear rates. The findings are of immediate interest regarding the understanding of microcirculation and improved designs of microchips.

Microbubbles, currently employed in diagnostic ultrasound as a contrast agent, have a potential new application as vehicles for targeted drug delivery, which could revolutionise medicine by eliminating side-effects. A new device is developed which outperforms all existing devices in terms of minimum microbubble size:channel diameter ratio. A numerical model is established to describe the flow behaviour and it is determined that the flow regime and resulting microbubble size are dependent on the ratio of inner- to outer Weber number.

Cette thèse s’inscrit dans le contexte du développement des laboratoires sur puce (LOC, « Lab On a Chip », permettant de réaliser plusieurs opérations nécessaires à l’analyse d’un échantillon biologique à l'intérieur d'un seul microsystème. Dans ce type de dispositif, de nombreuses étapes sont nécessaires avant d’arriver au résultat d’une analyse donnée (introduction de l'échantillon, concentration, mélange, purification, séparation, etc.). L’équipe microsystèmes du laboratoire Ampère étudie depuis plusieurs années différentes techniques de manipulation sans contact de particules, pour le tri ou de manipulation de particules individuelles dans les laboratoires sur puce, telles que la diélectrophorèse ou la magnétophorèse. Dans cette thèse, nous nous intéressons à la manipulation acoustique de micro particules. Cette technique se révèle notamment avantageuse pour la manipulation d’objets biologiques comme des bactéries, car elle permet de s’affranchir de certaines contraintes de marquage ou de changement de milieu. Notre choix s’est porté sur l’emploi des ondes acoustiques de surface (SAW, « Surface Acoustic Waves »), compatibles avec la filière PDMS très utilisée dans la communauté des LOC. Outre la possibilité de simplifier l’intégration microfluidique de la pince acoustique, la technologie SAW offre une alternative aux dispositifs à pièges acoustiques fixes existant dans la littérature en permettant un contrôle en temps réel des particules piégées. C’est ce que nous avons réalisé expérimentalement : en jouant sur le déphasage entre les signaux d’alimentation électriques des transducteurs électromécaniques, nous pouvons modifier la position des noeuds et des ventres de l’onde acoustique résultante. Ainsi, nous avons pu contrôler en temps réel la position d’une bille en latex de 3 μm ou encore d’un faisceau de bactéries E.coli. Par ailleurs, nous avons réalisé une simulation par éléments finis de la puce acoustofluidique dans son ensemble permettant une meilleure compréhension de tous les phénomènes en jeu et l’optimisation du transfert énergétique entre la source électrique et la particule manipulée. Cette simulation nous indique notamment que l’amplitude de l’onde acoustique stationnaire sur le substrat piézoélectrique varie environ d’un facteur deux en fonction du déphasage imposé entre les deux sources électriques. Cela impacte donc dans la même proportion la force acoustique résultante. Cette variation semble être validée par nos dernières expériences. / In lab-on-a-chip (LOC) technologies, many sample preparation steps are required before achieving a biological analysis on a single chip (sample introduction, concentration, mixing, purification, separation, etc.). The microsystem team of the Ampere Lab has studied for many years different contactless particle manipulation techniques, for sorting or manipulating bioparticles in LOC platforms, such as dielectrophoresis and magnetophoresis. In this thesis, we focus on acoustic manipulation of microparticles. This technique is advantageous for the manipulation of biological objects such as bacteria, because labelling and medium exchange can be avoided. We chose to work with surface acoustic waves (SAW), because this approach is consistent with the use of PDMS, widely used in microfluidics. Besides an easier microfluidic integration of the acoustic tweezers, the SAW technology provides an alternative to the existing devices with fixed acoustic traps, allowing a real time control of the trapped particles. This was experimentally achieved by playing on the phase shift between the two electrical signals driving the IDT, thereby modifying the position of nodes and antinodes of the resulting pressure wave. As a result, we could control in real time the position of a 3 μm latex bead or an E.coli bacteria alignment. We have also developed a finite-element model of the whole acoustofluidic chip allowing a better understanding of the physics and the optimization of the energy transfer between the electrical source and the trapped particle. Among different results, this model informs us that the magnitude of the acoustic radiation force varies by a factor of two with the phase shift between the electrical sources. This result seems to be validated by our last experiments.

In this work, microfluidic and millifluidic droplets are utilized to study and control complex fluid behavior with high composition resolution. Different techniques are used on two length scales to create unique approaches towards the same goal of merging droplet-based experiments with classical colloidal characterization experiments. First, a microfluidic dehydrating droplet device is characterized and a procedure established by concentrating a phase separating organic-inorganic system on chip and using geometric calculations to determine composition. The device is then expanded to a more complex, particle-polymer system to investigate suspension stability and interparticle behavior. A model system containing silica particles and PEO polymer is found to transition from a bridging flocculation mechanism to polymer-coated particle jamming based on the mass ratio of polymer to particle. Lastly, a phase separating particle-polymer system consisting of polystyrene particles and hydroxyethyl cellulose is concentrated on-chip. Interparticle interactions are controlled by varying particle size, polymer size, and polymer type and the effects on phase behavior are examined. Droplet experiments are scaled-up to millifluidic droplets and concentration gradients are used to produce high composition resolution in place of time, used in the dehydrating microfluidic experiments. A novel, millifluidic containment device is created to study aggregation and sedimentation in droplets containing carbon black and OLOA surfactant suspended in dodecane. A slow increase in stabilization behavior is observed as opposed to the previously observed sharp “on-off” effect. The droplet production technique is then improved to achieve more complex composition paths and the device is expanded for a small angle neutron scattering (SANS) application. SANS is performed on flowing droplets with varying concentration to map interparticle interactions and phase behavior of complex particulate systems. Feasibility of device is demonstrated and preliminary model systems of silica particles and polymer, salt, and surfactant are analyzed and characterized.

La levure du boulanger a une durée de vie réplicative limitée : chaque cellule mère produit un nombre fini de filles avant de mourir. Cette entrée en sénescence est supposée notamment résulter de l’accumulation d’agrégats de protéines endommagées au sein de la cellule mère. La rétention des agrégats au sein des mères permettrait de produire des filles rajeunies. Cependant, ce mécanisme de ségrégation asymétrique reste controversé, en partie car il est complexe de suivre la dynamique des agrégats protéiques in vivo. Nous avons développé une méthodologie pour suivre la formation des agrégats protéiques au cours d’un choc thermique au sein de cellules uniques. Associées à un modèle simple d’agrégation, nos données montrent que l’asymétrie peut être expliquée quantitativement par la croissance polarisée du bourgeon. De plus, des expériences de vieillissement réplicatif réalisées au sein d’une puce microfluidique suggérèrent que l’accumulation d’agrégats dans les mères pourrait induire la mort, mais seulement lorsque les cellules subissent un stress protéotoxique. Cette étude apporte donc un éclairage nouveau sur les mécanismes d’héritabilité des agrégats protéiques et leur contribution au vieillissement réplicatif chez la levure du boulanger. / Budding yeast cells have a limited replicative life span: a mother cell can produce a limited number of daughter cells before it dies. It has been proposed that the progressive accumulation of aggregates of damaged proteins within mother cells drives entry into senescence. The retention of such damages by mothers is thought to permit the daughter lineage rejuvenation. Yet the mechanism of their asymmetrical segregation is still controversial, in part because of difficulties inherent to the tracking of the dynamics of protein aggregates in vivo. In this context, we have developed a single cell methodology to track the formation of protein aggregates upon heat shock in single cells. In combination with a simple computational model of aggregation, our data reveal that the asymmetry can be explained quantitatively by the polarized growth of the bud. In addition, replicative aging experiments performed in a microfluidic device suggest that the accumulation and retention of protein aggregates in mothers may be responsible for cell death, but only under particular proteotoxic stress. Therefore, this study sheds new light on the mechanism of inheritance of protein aggregates and its contribution to replicative aging in budding yeast.

Cette thèse a pour objectif de mieux comprendre les mécanismes physiques qui contrôlent les trajectoires de particules anisotropes dans des écoulements confinés, afin d’en améliorer la prédiction. Nous avons dans un premier temps développé des outils expérimentaux basés sur la microscopie et le traitement d’images afin d’analyser les positions de particules en écoulement confiné dans des microcanaux de section carrée. Ces outils ont ensuite permis l’obtention de résultats originaux sur la migration latérale de particules sphériques dans des écoulements faiblement inertiels. Nous avons montré en particulier que les particules migrent au centre du canal à faible nombre de Reynolds et à proximité du centre de chaque face à Reynolds plus élevé et que ces deux régimes co-existent pour des Reynolds intermédiaires. Parallèlement à leur migration latérale, les particules en écoulement confiné peuvent s’espacer régulièrement sous certaines conditions pour former des trains. Ce travail a donc consisté à mener une étude statistique pour quantifier et localiser la formation des trains. Il a été montré que la formation des trains était contrôlée par la configuration de l’écoulement dans le sillage des particules et que leurs caractéristiques, i.e., le pourcentage de particules en trains et la distance interparticulaire, étaient fonction du nombre de Reynolds particulaire. Enfin, des résultats préliminaires sur le cas d’écoulements bi-disperses ont été obtenus. Pour terminer, les perspectives et développements futurs de ce travail sont dégagés. / This thesis aims to better understand the physical mechanism controlling the trajectories of particles in confined flows in order to improve predictive models. In the first step we have developed experimental tools based on microscopy and image analysis in order to identify the particles positions in confined flows in square section microchannels. These tools have then permitted to obtain original results on the lateral migration of spherical particles in flows at low inertia. In particular we have shown that neutrally buoyant particles in square channels are focused at channel center at low Reynolds number and at four channel faces at high Reynolds, and that there is a co-existence of the two regimes for intermediate Reynolds. In addition to their lateral migration, under certain conditions, particles can also align in the flow direction to form trains of evenly spaced particles. This work has thus been devoted to the statistical study on the quantification and localization of the train formation and configuration. It has been shown that the formation of trains is controlled by the flow configuration in the wake of the particles, and that the train characteristics, i.e., the fraction of particles in trains and the interparticle distance, are functions of the particle Reynolds number. Finally, preliminary results on flows of bidisperse suspensions have been obtained. To conclude, the perspectives and future developments of this work are presented.

Electroanalysis offers cheap and selective analysis of interesting solutions. However, one of the most common drawbacks is the accessibility for electrochemical sensing. By using high-pressure microfluidics with an integrated three-electrode system, new possibilities open for increased accessibility. Therefore, there is a need to fabricate sustainable reference surfaces into highly pressure tolerant microchannels. In this thesis, Ag/AgCl reference surfaces were in-situ fabricated in high-pressure microfluidic chips. This was performed by electroplating Ag on thin film Pt in microchannels and then chlorinating the silver into Ag/AgCl. Electroanalysis of ferrocyanide was carried out in a microfluidic chip using one of the in-situ fabricated Ag/AgCl references. The half-wave potential showed to be around +251 mV and the electrochemical water window was measured to 1400 mV with a range between -300 mV and +1100 mV. The obtained values show to be comparable to reference data of similar experiments performed elsewhere. For some applications of electrochemistry, a catalysis surface is beneficial. Nanoporous Pt black has proved to generate high catalytic performance in electrochemistry. Therefore, attempts have been carried out to fabricate Pt black onto Pt thin films, with the vision to succeed with such fabrication within microfluidic channels. To summarize, this project work has showed a possibility to in-situ fabricate Ag/AgCl reference surfaces. The project has also showed how to use such surfaces as reference electrodes for electroanalysis in high-pressure microfluidic chips. Lastly, new challenges and ideas to fabricate catalysis surfaces on thin film electrodes in flow channels have been presented. By this thesis, one more step has been taken to increase the accessibility for electroanalysis.

L'objectif principal de ces travaux de thèse est l'étude expérimentale de la mobilisation de l'huile dans le cadre de la récupération assistée du pétrole à base de tensioactif dans un milieu poreux en deçà de la saturation en huile résiduelle. A saturation en huile résiduelle, le réseau d'huile est déconnecté et constitué de ganglions dans l'ensemble du milieu poreux. Cette huile résiduelle est difficile à produire dans les conditions classiques de récupération du pétrole à cause du piégeage capillaire des ganglions, piégeage corrélé à la tension interfaciale entre l'huile et l'eau. Le déplacement de la solution de tensioactif et sa caractérisation a été réalisé au travers d'injections en milieux poreux naturels. L'étude a été réalisée dans un premier temps en conditions monophasiques, c'est-à-dire en absence d'huile. Les courbes de percée ont été analysées pour étudier les paramètres de dispersivité et d'adsorption des échantillons. Les expériences sont ensuite utilisées pour améliorer la modélisation du transport du tensioactif en milieu poreux. Pour le cas diphasique, nous avons développé un système microfluidique avec une géométrie de pore variable, le plus représentatif possible d'un milieu poreux naturel. Il s'agit dans les expériences d'injecter un petit ganglion d'huile à travers un canal central et de balayer la puce microfluidique avec la solution tensioactive dans des conditions contrôlées. L'objectif est d'étudier le déplacement du ganglion d'huile au sein du micromodèle. De nouveaux mécanismes sont identifiés et une voie de modélisation des phénomènes physique est proposée. / The main objective of the PhD is to study experimentally the oil mobilization using surfactant in a porous media below the residual oil saturation. At the residual oil saturation, the oil network is disconnected and organized in ganglia of different sizes and shapes all along the sample. This residual oil is difficult to produce in the classical conditions of water flooding because of capillary trapping created by the interfacial tension between oil and water. Injection of surfactant is able to mobilize the remaining oil at flow rates consistent with the real case of an oil mature reservoir. The use of surfactant allows lowering the interfacial tension by several orders of magnitude, towards ultra-low values (10-3 mN/m), strongly decreasing the capillary forces and so, mobilizing the oil. The first main study of the PhD work was to characterize the displacement of the surfactant injected in a sandstone sample in monophasic conditions (without oil). Breakthrough curves have been analyzed in term of dispersivity and adsorption. Experiments have shown that a better way to model the surfactant transport is to use a Langmuir kinetic adsorption model. For the diphasic case, we have developed a microfluidic 2D system with a random pore geometry of controlled conditions. The experiments are based on the injection of a small ganglia through a central channel, then, a surfactant flood is generated. The aim is to see how ganglia are displaced within the micromodel. New mechanisms have been identified and a way to model those phenomena has been proposed. A better understanding of surfactant and oil transport in porous media is key for chemical enhanced oil recovery processes.

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L’objectif de cette thèse a été d’étudier, en présence d’un écoulement laminaire, la génération et la détection électrochimiques de gradients locaux de concentration à l’intérieur de canaux microfluidiques. L’influence des paramètres géométriques et hydrodynamiques sur les réponses ampérométriques de microélectrodes a été analysée théoriquement par simulation numérique. Pour cela, plusieurs approches ont été entreprises par le biais de modèles à deux et à trois dimensions afin de résoudre l’équation du transport pour différentes géométries de dispositifs et conditions d’écoulement. Des critères ont été fixés afin de délimiter les régimes et conditions optimales de fonctionnement. Les prévisions issues des calculs ont été testées puis validées à l’aide de mesures expérimentales effectuées à partir de microdispositifs fabriqués au laboratoire. Ainsi, deux concepts innovants ont été définis pour la mise en œuvre au sein de microdispositifs de fonctions combinant microfluidique et électrochimie. Le premier est celui d’une sonde de concentration à très haute résolution temporelle. Le second est la génération d’un gradient linéaire de concentration sur la section d’un canal microfluidique rectangulaire. / The aim of this thesis was to study the electrochemical generation and electrochemical detection of local concentration gradients within microfluidic channels in presence of a laminar flow. The influence of geometric and hydrodynamic parameters on the amperometric responses of microelectrodes was analyzed theoretically by means of numerical simulations. Several approaches were undertaken using two-dimensional and three-dimensional models in order to solve the transport equation according to the device geometries and flow conditions. Criteria were set to delineate the operating regimes and optimal conditions. Predictions from calculations were tested and validated experimentally using microdevices fabricated in the laboratory. Therefore, two innovative concepts were defined for the implementation of functions within microdevices combining microfluidics and electrochemistry. The first one is a probe of concentration leading to very high temporal resolution. The second one is the generation of a linear concentration gradient over the cross section of a rectangular microfluidic channel.