Proteins play a major role in living systems and present a wide spectrum of functionalities. Many different types of proteins are involved into biological processes, such as the catalysis of biochemical reactions, cellular membrane transport, immune system response and DNA replication. However, some proteins and peptides might become harmful to living organisms; for example, their abnormal aggregation causes neurodegenerative disorders including Alzheimer disease (AD). One of the causes of AD is the presence of amyloid beta peptides Aβ(1-42), Aβ(1-40), which self-assemble into insoluble fibrils and plaques, which surround neuronal cells impeding synapsis. The number of AD patients is increasing, but a cure has not been founded yet. Therefore, it is crucial to investigate the mechanisms underlying amyloid aggregation and screening for compounds able to prevent this irreversible process. Microfluidics permits characterising the physicochemical properties of proteins, investigate their aggregation and study their interactions with other molecules. Chemical kinetics allows studying the microscopic events occurring during protein self-assembly. The combination of these two techniques provides a powerful tool for the identification of compounds inhibiting the aggregation process. In this thesis by using microfluidics, chemical kinetics and other biophysical assays, I have investigated the proteins isoelectric point (pI) and the inhibition of aberrant Aβ(1-42) self-assembly process. Firstly, I describe the development of a microfluidic platform allowing for the measurement of the protein pI, in a gradient-free manner. This approach overcomes a fundamental limitation of convectional techniques that is the achievement of a stable and well-controlled pH gradient. Secondly, I investigate the inhibiting effect of llama nanobodies on Aβ(1-42) aggregation. The findings from this study show that nanobodies target monomeric species with high affinity whereas interactions with fibril surfaces are weak. Finally, I discuss the use of other compounds inhibiting specific nucleation stages. These include the chaperones clusterin and brichos, as well as soot and pure carbon nanoparticles. Importantly, the addition of both chaperones to Aβ(1-42) solutions has an additive inhibitory effect on aggregation. My findings will improve the characterization of the physicochemical properties of proteins as well as providing promising candidates for the inhibition of specific stages of amyloid beta aggregation opening the way to possible cures for AD disease.

Microfluidics is a vibrant and expanding field that has the potential for solving many analytical challenges. Microfluidics shows promise to provide rapid, inexpensive, efficient, and portable diagnostic solutions that can be used in resource-limited settings. Microfluidic devices have gained immense interest as diagnostic tools for various diseases through biomarker analysis. My dissertation work focuses on developing electrokinetically operated integrated microfluidic devices for the analysis of biomarkers indicative of preterm birth risk. Preterm birth (PTB), a birth prior to 37 weeks of gestation, is the most common complication of pregnancy and the leading cause of neonatal deaths and newborn illnesses. In this dissertation, I have designed, fabricated and developed several microfluidic devices that integrate various sample preparation processes like immunoaffinity extraction, preconcentration, fluorescent labeling, and electrophoretic separation of biomarkers indicative of PTB risk. I developed microchip electrophoresis devices for separation of selected PTB biomarkers. I further optimized multiple reversed-phase porous polymer monoliths UV-polymerized in microfluidic device channels for selective retention and elution of fluorescent dyes and PTB biomarkers to facilitate on-chip labeling. Successful on-chip fluorescent labeling of multiple PTB biomarkers was reported using these microfluidic devices. These devices were further developed using a pH-mediated approach for solid-phase extraction, resulting in a ~50 fold enrichment of a PTB biomarker. Additionally, this approach was integrated with microchip electrophoresis to develop a combined enrichment and separation device that yielded 15-fold preconcentration for a PTB peptide. I also developed an immunoaffinity extraction device for analyzing PTB biomarkers directly from a human serum matrix. A glycidyl methacrylate monolith was characterized within microfluidic channels for immobilization of antibodies to PTB biomarkers. Antibody immobilization and captured analyte elution protocols were optimized for these monoliths, and two PTB biomarker proteins were successfully extracted using these devices. This approach was also integrated with microchip electrophoresis for combined extraction and separation of two PTB biomarkers in spiked human serum in <30 min. In the future, these optimized microfluidic components can be integrated into a single platform for automated immunoaffinity extraction, preconcentration, fluorescent labeling, and separation of PTB biomarkers. This integrated microfluidic platform could significantly improve human health by providing early diagnosis of PTBs.

Tout épithélium glandulaire sécrétoire est constitué d'une unité structurale et fonctionnelle commune, l'acinus. C'est une architecture sphérique pluricellulaire parfaitement différentiée et polarisée qui, reconstruite en culture 3D, mime l'organisation réelle du tissu. Etudier les déterminants environnementaux et génétiques qui gouvernent la transformation d'un acinus en sphéroïde s'apparentant à une tumeur est l'un des enjeux majeurs des modèles in vitro. Un des défis actuels est d'adapter ces modèles in vitro à des conditions de culture 3D qui soient compatibles avec la réalisation de cribles génétiques en 3D, basés par exemple sur l'ARN interférence (RNAi). Cependant, les formats standards de culture 3D et les méthodes analytiques ne sont pas compatibles aux cribles haut-débit. Ils ne permettent pas de contrôler la taille et la distribution des acini, sont dépendants d'immuno-marquages et les acquisitions sont longues. Par ailleurs, la microscopie confocale et vidéomicroscopie offrent un champ d'observation restreint qui ne permet pas d'observer un grand nombre de structures 3D en même temps, pour permettre une analyse statistique. Ainsi, dans le but i) de développer des modèles cellulaires appropriés en 3D, ii) d'adresser des questions fondamentales relatives au cancer de la prostate et iii) de réaliser des cribles RNAi dans un contexte plus pertinent que la culture 2D, j'ai développé des outils innovants au format microsystèmes adaptés à l'analyse haut-débit d'un grand nombre d'objets 3D. En optimisant les conditions de culture cellulaire 3D sur le modèle de la lignée cellulaire RWPE1, j'ai pu récapituler les étapes de formation des acini prostatiques et montrer que la formation du lumen est indépendante de la polarité et est gouvernée par deux mécanismes, « hollowing » et cavitation. / In all secretory epithelia from glandular tissues, there is a common structural and functional unit, the acinus. It is a well polarized and organized pluricellular structure that is spontaneously reconstructed in 3D culture, therefore closely mimics the real structure we find in vivo. For my purpose, acini are used as models for tumor initiation and cancer development. One of the objectives of Biomics laboratory is to identify the genetic and microenvironmental determinants of prostate acini morphogenesis and polarity. The strategy is based on High-Throughput (HT) RNA interference (RNAi)-based screening. To meet this objective, my project was to develop appropriate 3D cell models which closely mimic the cyst-like and duct-like structure of prostate. By optimizing conventional 3D culture in Matrigel, I could recapitulate prostate acini morphogenesis and showed that lumen formation is independent to the polarity, which appears later. However, the conventional 3D cell culture formats and analytical tools are not suited for HT Screening (HTS). They lack control over acini size, are label-dependant and therefore time-consuming and labor intensive. Also, classical microscopy offers a very limited field of view and hence does not allow observing a large amount of 3D structures for statistical analysis.

Dans le domaine du développement d'outils de micromanipulation de haute précision pour le biomédical, les microrobots mobiles immergés font figures de technologie émergente prometteuse pour des applications in-vitro, puis à plus long terme pour l'in-vivo. Mes travaux portent sur l'étude de la propulsion de microrobots par voie magnétique dans des fluides circulant dans des microcanaux, à une échelle où les phénomènes d'adhérence et d'amortissement prévalent. Leur application pour des opérations de transduction est développée dans un deuxième volet.Un dispositif d'asservissement par vision à haute fréquence d’échantillonnage (~5kHz) a été développé rendant possible le contrôle sous champ magnétique uniforme ou gradient. Les performances du système ont notamment demandé l’implémentation d'une interface multi-tâches afin de pouvoir acquérir et traiter les images en parallèle de l'actuation du robot. L'analyse de la dynamique permet de mieux appréhender les phénomènes parfois imprévisibles liés au déplacement du robot, MagPol, intégré dans une puce microfluidique. Il peut réciproquement servir de capteur dans son environnement fluidique.Ce design original de robot a été conçu pour la micromanipulation et permet également d'explorer des nouvelles stratégies de déplacement. Ces capacités ont été éprouvées sur des objets de même taille qu'en biologie cellulaire (billes, bulles).Enfin, une démonstration de l'asservissement visuel en planification de tâche a été effectuée. Sous réserve de posséder un algorithme suffisamment performant, l'échantillonnage haute fréquence en temps réel devient possible et l'observation de performances sur des trajectoires complexes est démontrée. Les performances, la portabilité et la reproductibilité du système démontrent des capacités de transduction à haut débit qui sont très prometteuses pour l'aspect applicatif. / In the research for new high performances tool for micrometric scale manipulation, mobile microrobots immersed are considered as a promising technology for in-vitro applications, and with a long term view in-vivo. My work focuses on the propulsion study of mobile microrobots immersed in microfluidic channels controlled through electromagnets. At this scale, surface and damping phenomena predominates. Application for transduction operation is developed in a second part.A high sampling rate (≈5kHz) visual servoing setup have been developed making a control possible through uniform and gradient magnetic field. Performances of the system have notably required a multi-thread programmed user interface to acquire and analyze the frame in parallel of the robot actuation. Dynamic analysis allow to better apprehend the perturbation dynamics of the robot MagPol, integrated in a microfluidic chip. It can reciprocally serve as a sensor for in fluidic environment.MagPol design has been originally conceived for micromanipulation, and also allows to explore new displacement strategies. Its capacities have been tested on beads and bubbles equivalent to cell biology characteristic size (10µm – 100µm).Finally, a demonstration of planned trajectory using visual servoing was accomplished. Though it has required an algorithm sufficiently efficient, high frequency real-time sampling is possible and lead to control and post observation on complex trajectory. Global performances, repeatability and portability of our system has demonstrated its capacities as a high-throughput transducer, promising for single microagent applications.

Ce travail de thèse rend compte de la mise en oeuvre d’un système de synthèse en continu dupoly(acide acrylique) en milieu CO2 supercritique (15 MPa et 75 °C). Nous avons conçu undispositif microfluidique résistant aux hautes pressions permettant l’écoulement de gouttes desolution aqueuse de monomère dans une phase continue constituée d’un mélangesupercritique d’éthanol dans du CO2 et contenant l’amorceur azobisisobutyronitrile (AIBN).Nous avons déterminé par spectroscopie IR la répartition des différentes espèces chimiquesdu mélange en fonction de la pression et la température, puis caractérisé la décompositionthermique de l’amorceur selon la composition du milieu réactionnel par spectroscopie UVVis.Enfin, nous avons montré que les gouttes sont comparables à des réservoirs demonomère alimentant sans cesse la phase continue. En raison de ce transfert rapide vis-à-visde la conversion de l’AA en chaîne polymère, la réaction de polymérisation s’effectuecontinûment avec un rapport molaire monomère sur amorceur constant durant tout le tempsde séjour dans le microcanal (jusqu’à 41 min). Une gamme large de masses molaires avec desindices de polymolécularité faibles a été obtenue : de 20 000 à 120 000 g.mol-1 pour 1,35 à1,70, en variant simplement les concentrations de monomère de la solution aqueuse initiale.Les paramètres expérimentaux influençant les propriétés du poly(acide acrylique) obtenu,ainsi que le lieu de la polymérisation ont été étudiés. / In this work, a continuous microfluidic device was developed to perform the synthesis ofpoly(acrylic acid) in supercritical CO2 (15 MPa and 75°C). This high pressure resistantdevice allows generating segmented flows in microcanal: an aqueous solution of monomerwas dispersed in a mixture of ethanol in CO2 containing initiator AIBN. The distribution ofdifferent components in this biphasic system has been determined by IR spectroscopyaccording to the pressure and the temperature. The thermal decomposition of AIBN indifferent reaction media has been investigated using UV-Vis spectroscopy. During thereaction, the droplets were used as reservoirs which insure the transfer of monomer to thecontinuous phase. Because of this rapid transfer compared to the reaction conversion, thepolymerization reaction was carried out continuously with a constant molar ratio betweenmonomer and initiator throughout the residence time (up to 41 min). It has been showed thata large range of molecular weights of poly(acrylic acid) (20 000 and 120 000 g.mol-1) withlow polydispersity index (1.35 à 1.70) can be obtained by just changing the initial monomerconcentration in the droplets. The effect of other parameters influencing the properties ofpoly(acrylic acid) as well as the locus of polymerization have been discussed.

Cette thèse vise à évaluer deux techniques différentes pour la distinction d'échantillons biologiques mécaniquement altérés. Les deux approches ont été mises au point et étudiées avec un objectif à long terme qui est l'application de ces méthodes au diagnostic basé sur le phénotype mécanique. Bien que, nous avons élaboré ces approches dans le cas de globules rouges (GR), comme leurs propriétés mécaniques peuvent être affectées par des pathologies importantes, tous les concepts développés dans ce travail peuvent être adaptés à d'autres types de cellules.Nous avons caractérisé les propriétés mécaniques de GR à l'aide d'une technique microfluidique passive. L'accent a été mis sur la relaxation de globules rouges sains (GRs) à la sortie d'un canal à largeur variante et la dépendance de la réponse mécanique aux conditions expérimentales a été démontrée. Nous avons rapporté deux modes de relaxation du GR en fonction des paramètres de l'écoulement, et nous avons utilisé l'interface entre ces deux modes pour remonter aux propriétés mécaniques du GR. Lors de la seconde approche, nous avons présenté les résultats obtenus au cours de l'étude du comportement mécanique des GRs à l'aide de l'électrodeformation. Nous avons étudié l'influence des paramètres expérimentaux sur la réponse cellulaire et conclu sur des conditions optimisées pour la sollicitation des cellules sans les altérer. Pour finir, nous avons fait le point sur l'évaluation de ces deux techniques dans la discrimination des échantillons mécaniquement défaillants des sujets sains. Les avantages et inconvénients des deux approches ont été discutés / This thesis aims at evaluating two different techniques for the distinction of mechanically impaired biological samples. Both approaches were developed and investigated keeping in mind the long term objective which is the application of these approaches to diagnosis based on cell mechanical phenotype. Although, we developed these approaches on Red Blood Cells as as their mechanical properties can be affected by important pathologies, all the concepts developed in this work can be adapted to other cell types.We characterized mechanically RBCs using a passive microfluidic technique. We focused on the shape relaxation of healthy Red Blood Cells (hRBCs) flowing out of an oscillating width channel and demonstrated the dependency of their mechanical response upon the experimental conditions. We reported the existence of two relaxation modes for RBCs depending on the flow parameters, we used the interface between the two modes to extract the mechanical properties of RBC.Using a second approach, we presented the results obtained during the study of the mechanical behavior of hRBCs using electrodeformation assays. We investigated the influence of the solicitation parameters on the cell response and concluded on optimized conditions for cell solicitation without altering them. Finally, we evaluated both techniques in the discrimination of rigidified samples from healthy couterparts. Advantages and drawbacks of both techniques were discussed

Les micro et nanoparticules magnétiques sont de plus en plus utilisées en biologie et en médecine, pour une large gamme d'applications. Plusieurs applications utilisent le piégeage et le guidage de ces billes sous l'effet d'un champ et d'un gradient de champ magnétique. Dans la plupart des applications, le champ magnétique est macroscopique, créé par un aimant ou un électro-aimant. L'intégration plus poussée est souvent envisagée, dans les articles scientifiques, par des microbobines ou par des éléments magnétiques doux. Ceux-ci doivent alors être polarisés par un champ externe (de nouveau, un électroaimant ou un aimant).Les micro-aimants mis au point à l'Institut Néel permettent d'obtenir les mêmes inductions que les meilleurs aimants du marché et, par conséquent, de par la réduction d'échelle, des gradients de champ intenses et donc des forces volumiques très conséquentes. Ils sont, de plus, favorables à l'autonomie et à la stabilité du système.Ce travail propose d'utiliser ces micro-aimants pour des applications en diagnostic In Vitro afin de tirer parti des forces volumiques importantes issues des micro-aimants et de la facilité d'utilisation de telles sources de champ magnétiques pour l'utilisateur.Ces premières constatations nous ont permis de mettre un place un test de type ELISA en une seule étape. Grâce à ces avantages, il a été possible d'utiliser des nanoparticules magnétiques à la place des classiques microparticules comme rapporté dans l'état de l'art. Ces nanoparticules, fonctionnalisables par des anticorps permettent entre autre d'augmenter le rapport surface sur volume phénomène très favorable à la sensibilité des tests de diagnostic In Vitro. De plus, les nanoparticules étant de petite taille, il est possible d'augmenter fortement leur concentration et de favoriser ainsi la capture de ces particules par les micro-aimants grâce à un mécanisme d'interaction fluide/particule et in fine la cinétique du test.Un autre avantage des micro-aimants permanents est la possibilité de contrôler le champ magnétique sur des distances micrométrique. Cela ouvre la voie à des tests de diagnostic sans lavage, simples et sensibles. Enfin, tous ces avantages ont été combinés à ceux de la microfluidique pour permettre l'émergence de test portables tout en restant efficaces. Pour cela l'autonomie intrinsèque aux micro-aimants permanents sera un avantage incontestable. / The range of applications for magnetic micro- and nanoparticles is constantly expanding, in particular in medicine and biology. A number of applications involve particle trapping and deviation under the effect of a magnetic field and field gradient. In most publications, the required magnetic fields are produced either using soft magnetic elements polarized by an external magnetic field, electromagnets or bulk permanent magnets.Micromagnets produce high fields and favor autonomy and stability while downscaling leads to an increase of field gradients and consequently increase strongly the forces.Micromagnets developped at the Neel Institute produce magnetic induction as good as the best macro-magnets. Therefore, thanks to scale reduction laws, high field gradients and therefore intense forces can be obtained. Moreover, these magnets can easily be integrated in micro systems such as BioMEMS.The purpose of this work is to use these micromagnets to develop in vitro immunoassays.. An innovative system based on superparamagnetic nanoparticles attraction by micromagnets was developed in order to perform a “one step” ELISA.Nanoparticles can be functionalized with antibodies, increasing the surface/volume ratio, and therefore the test sensitivity. Thanks to their small size, the nanoparticles concentration can be increased, and a fluid/particles interaction optimizes their capture by the micromagnets. This phenomena is favorable to immunoassay's kinetics.A micrometric control of the magnetic field is possible thanks to micromagnets: this allows to design simple and sensitive immunoassays that need no washing steps. Finally, these properties combined to microfluidics is used to design of point of care and sensitive immunoassays.

Le système immunitaire est un ensemble de mécanismes impliquant différents types de cellules qui produisent des facteurs solubles (cytokines, chimiokines ou molécules cytotoxiques) qui contribuent à la régulation et aux réponses immunitaires. La caractérisation à l'échelle cellulaire de la production de ces facteurs solubles présente un grand intérêt d'une part sur le plan fondamental pour comprendre les cascades d'événements des régulations cellulaires, et d'autre part dans le suivi de la réponse immunitaire (infections, cancers, auto-immunités, greffes, vaccins, etc.). Cependant, la plupart des techniques actuellement disponibles (ELISpot, cytométrie en flux, microarrays, etc.) ne permettent pas d'étudier plusieurs cytokines en rapport avec le phénotype des cellules sécrétrices et/ou sans marquage et d'analyser les secrétions de cytokines en temps réel par des cellules individuelles. Dans cette étude, une « biopuce à cellules » a été développée pour analyser les secrétions de cytokines par les cellules individuelles (lymphocytes T) in vitro. La biopuce est fonctionnalisée par greffage électrochimique des motifs d'anticorps spécifiques aux protéines membranaires de cellules et/ou d'anticorps spécifiques aux cytokines, tous couplés au pyrrole. Ensuite, un traitement de surface est effectué avec du poly (éthylène glycol) thiol (Thiol-PEG) pour empêcher la fixation non spécifique de cellules sur la surface de la biopuce. Un dispositif microfluidique en polydimethyllsiloxane (PDMS) et maintenu à 37°C a aussi été développé afin d'intégrer toutes les opérations d'analyse et de détection dans un seul système. La biopuce développée dans cette étude permet la capture spécifique et stable de lymphocytes T individuels viables et la détection ultérieure de cytokines sécrétées par chaque cellule individuelle. Dans ce travail, la détection des cytokines sécrétées (IL-2 et IFN-γ) a été effectuée par fluorescence dans un format en sandwich. Cette «biopuce à cellules» est également compatible avec l'imagerie par résonance plasmonique de surface (SPRi), ce qui pourrait permettre de réaliser des analyses en temps réel et la détection sans marquage de plusieurs cytokines sécrétées par des cellules individuelles. Cette technique fournit un outil très prometteur pour l'analyse de marqueurs biologiques et de l'activité de cellules et l'étude des réponses immunitaires. / The immune system is a set of mechanisms involving many different cell types which communicate through downstream signals mediated principally by soluble factors (i.e. cytokines) to protect the host against invading organisms and to control adequate immune responses. The identification and characterization at the cellular level of cytokine production has a huge interest for both fundamental research and clinical studies. However, the majority of techniques currently available (ELISpot, flow cytometry, microarrays, etc.) have several shortcomings including notably the assessment of multiple cytokines in relation to secreting cell phenotypic classification and/or label-free and real-time analysis of cytokine secretions at individual cell level. Hence, in this study, we developed a « cell biochip » to analyze the secretion of cytokines by individual cells (T lymphocytes) activated and cultured in vitro. The biochip is functionalized by electrochemically grafting patterns of pyrrole-conjugated cell membrane-specific and cytokine-specific antibodies and treated with Poly(ethylene glycol)thiol (Thiol-PEG) self-assembled monolayers (SAMs) to stably avoid non-specific binding of cells on the surface. A polydimethyllsiloxane (PDMS)-based microfluidic device maintained at 37°C was also developed in order to integrate all the detection assay operations in a single system. The biochip developed here allows specific and stable capture of viable and bioactive individual T cells and subsequent detection of secreted cytokines in the close vicinity of each individual cell. In this work, the detection of secreted cytokines (IL-2 and IFN-γ) was performed by fluorescence in an immunosandwich assay format. This « cell biochip » is also compatible with surface plasmon resonance imaging (SPRi), which could therefore allow expanding its functionality to enable real-time and label-free detection of multiple cytokines from individual cells. Such technique provides a very promising tool for the analysis of biomarkers and cell activity and the monitoring of immune responses.

Le guidage axonal est un processus très important dans le développement du cerveau, permettant de lui donner sa structure et son organisation. La communauté scientifique des neurosciences lui porte un intérêt grandissant ces dernières années. Plusieurs outils appartenant au domaine des microtechnologies, que sont la microfluidique et le micropatterning, sont d’une aide importante pour étudier le guidage axonal in vitro. Ils permettent de confiner les neurones et leurs axones et de leur appliquer des gradients de molécules de guidage. Lors de ce travail de thèse, j’ai voulu développer un système pour étudier l’effet de gradients de molécules de guidage sur le guidage axonal. J’ai pour cela testé plusieurs configurations de dispositifs microfluidiques, de micromotifs (micropatterns) et de combinaisons de ces derniers.Nous avons d’abord utilisé deux approches pour isoler les axones de neurones dissociés de leurs somas afin de pouvoir étudier, à haut débit, l’effet de l’environnement moléculaire sur les cônes de croissance des neurones. La première approche consistait à faire pousser des neurones sur des motifs (patterns) de différentes protéines. Elle a permis de montrer leur capacité d’adhésion spécifique sur ces motifs. La seconde consistait à ensemencer des neurones dans un dispositif microfluidique dans lequel, lors de leur pousse, les axones sont séparés des somas par des microcanaux. Nous avons ensuite étudié l’effet, sur les axones, de gradients de molécules de guidage. Pour commencer, nous avons mesuré l’effet de deux molécules de guidage : l’éphrine et la sémaphorine, en cultivant des neurones en présence de gradients patternés de ces deux molécules. Par la suite, nous avons étudié un autre modèle où les neurones sont plus proches de leur environnement in vivo, des explants poussant sur des motifs de laminine contenant un gradient. Pour aider au positionnement de l’explant, nous avons polymérisé des hydrogels. Ensuite, nous avons mis des explants à côté de gradients patternés d’éphrine. Enfin, nous avons cherché à obtenir un gradient soluble de molécules de guidage entretenu sur des temps longs, plus proche des gradients existant in vivo. Dans ce but, nous avons voulu fabriquer un dispositif microfluidique permettant d’appliquer un gradient soluble de molécules de guidage sur des neurones. Pour obtenir un gradient stable dans le temps, nous avons aussi cultivé des neurones à côté de cellules exprimant la nétrine, une autre molécule de guidage. Pour finir, nous avons cultivé des neurones et des glies dissociés pour étudier leurs interactions.L’ensemble de ces recherches n’a pas permis d’obtenir un dispositif fiable pour étudier l’effet de molécules sur la pousse et le guidage des axones. Néanmoins, la configuration consistant en une coculture de neurones à proximité de cellules relargant de la nétrine nous a permis d’obtenir des premiers résultats encourageants. Nous avons ainsi mis au point un ensemble de méthodes qui pourront nous permettre de finaliser le développement d’un système pour étudier le guidage axonal, fonctionnel et efficace. / Axonal guidance is a very important process during brain development, allowing to give it its structure and organization. The neuroscience scientific community has a growing interest in it during the last years. Several tools belonging to the field of microtechnologies, microfluidics and micropatterning are of important help to study axonal guidance in vitro. They allow to confine neurons and their axons and to apply gradients of guidance molecules. During this thesis, my goal was to develop a system to study the effect of guidance molecules gradients on axonal guidance. For that, I tested several configurations of microfluidic devices, micropatterns and combinations of both.First, we used two approaches to isolate dissociated neurons axons from their somas. Our goal was to study the effect of the molecular environment on neurons growth cones, with a high throughput. The first approach consisted in growing neurons on different proteins patterns. It also allowed to show their capacity to adhere on these patterns. The second one consisted in seeding neurons in a microfluidic device in which, during their growth, axons are separated from somas by microchannels. Then we studied the effect, on the axons, of guidance molecules gradients. To begin, we measured the effect of two guidance molecules: ephrin and semaphorin, by culturing neurons in the presence of patterned gradients of these two molecules. After that, we studied another model where neurons are closer from their environment in vivo, explants growing on laminin patterns containing a gradient. To help the explant positioning, we polymerized hydrogels. Then, we put explants next to patterned gradients of ephrin. Finally, we tried to obtain a soluble gradient of guidance molecules, over a long period of time (days), closer to existing gradients in vivo. In that goal, we wanted to build a microfluidic device enabling the application of a soluble gradient of guidance molecules on neurons. To obtain a constant gradient, we also cultured neurons next to cells expressing netrin, another guidance molecule. Finally, we cultured dissociated neurons and glial cells to study their interactions.All these experiments did not allow to obtain a reliable device to study the effect of molecules on axons growth and guidance. Nevertheless, the configuration consisting in a coculture of neurons next to cells releasing netrin allows us to obtain promising preliminary results. We thus drew up a group of methods that will enable us to finalize the development of a system to study axonal guidance, functional and efficient.

Reducing cost and time is a major concern in clinical diagnostics. Current molecular diagnostics are multi-step processes that usually take at least several hours or even days to complete multiple reagents delivery, incubations and several washing processes. This highly labor-intensive work and lack of automation could result in reduced reliability and low efficiency. The Laboratory-on-a-chip (LOC), taking advantage of the merger and development of microfluidics and biosensor technology, has shown promise towards a solution for performing analytical tests in a self-contained and compact unit, enabling earlier and decentralized testing. However, challenges are to integrate the fluid regulatory elements on a single platform and to detect target analytes with high sensitivity and selectivity. The goal of this research work is to develop an AC electrokinetic (ACEK) flow through concentrator for in-situ concentration of biomolecules and develop a comprehensive understanding of effects of ACEK flow on the biomolecule transport (in-situ concentration) and their impact on electronic biosensing mechanism and performance, achieving automation and miniaturization. ACEK is a new and promising technique to manipulate micro/bio-fluids and particles. It has many advantages over other techniques for its low applied voltage, portability and compatibility for integration into lab-on-a-chip devices. Numerical study on preconcentration system design in this work has provided an optimization rule for various biosensor designs using ACEK technique. And the microfluidic immunoassay lab-chip designed based on ACET effect has showed promising prospect for accelerated diagnostics. With optimized design of channel geometry, electrode patterns, and properly selected operation condition (ac frequency and voltage), the preconcentration system greatly reduced the reaction time to several minutes instead of several hours, and improved sensitivity of the assay. With the design of immunoassay lab-chip, one can quantitatively study the effect of ACET micropumping and mixing on molecular level binding. Improved sensors with single-chip form factor as a general platform could have a significant impact on a wide-range of biochemical detection and disease diagnostics including pathogen/virus detection, whole blood analysis, immune-screening, gene expression, as well as home land security.