Le but de ce travail expérimental est de caractériser de l’écoulement d’émulsions dans des dispositifs microfluidiques Grâce à une technique de vélocimétrie par suivi des particules, nous avons accès au comportement rhéologique local des émulsions étudiées. En faisant varier la largeur du canal microfluidique dans lequel s’écoule l’émulsion ainsi que la rugosité des parois qui confinent l’écoulement, nous avons mis en évidence des effets non locaux dans l’écoulement d’émulsions concentrées en milieux confiné. Nous avons proposé un modèle microscopique scalaire qui permet de rendre compte des résultats obtenus. La non localité est quantifiée par une longueur, caractéristique de la coopérativité de l’écoulement. Cette longueur est typiquement de quelles tailles de gouttes. Nous avons étudié plusieurs émulsions afin de mettre en évidence l’influence de la fraction volumique en gouttelette, leur taille ainsi que leur polydispersité sur la longueur caractéristique de la coopérativité de l’écoulement. / This work is an experimental study of the flow of emulsions in confined media. Here we use a microfluidic velocimetry technique to characterize the flow of thin layers of concentrated emulsions, confined in gaps of different thicknesses by surfaces of different roughnesses. We find evidence for finite-size effects in the flow behaviour and the absence of an intrinsic local flow rule. In contrast to the classical nonlinearities of the rheological behaviour of amorphous materials, we show that a rather simple nonlocal flow rule can account for all the velocity profiles. This nonlocality of the dynamics is quantified by a length, characteristic of cooperativity within the flow at these scales, that is unobservable in the liquid state (lower emulsion concentrations) and that increases with concentration in the jammed state

La nanofluidique est l’étude du transport de molécules au travers de nanostructures filtrantes dont la taille avoisine l'épaisseur de la double-couche diffuse à la surface du verre. A cette échelle de la centaine de nanomètres, la charge de surface qui induit une exclusion des ions négatifs à l'extérieur du "nanofiltre" produit un effet de rétention des biomolécules. Des études menées sur le transport électrocinétique au sein d’un nanocanal unique ont permis de montrer qu’il était théoriquement possible de concentrer des solutions, même fortement diluées, avec des taux élevés (jusqu’à 103) grâce à un effet de concentration de polarisation. Ce phénomène pourrait être exploité dans de nombreuses applications de diagnostic médical (analyses rapides et précoces d’échantillons bruts), de contrôle qualité (agroalimentaire) ou encore de défense (suivi continu de zones à risques pour la menace terroriste biologique).La modélisation de la dynamique des phénomènes d’électropréconcentration (sous champ électrique) et de rétention (sous gradient de pression) d’un nanocanal unique s’avère extrêmement ardue. Une multitude d’observations, souvent contradictoires quant au profil de préconcentration obtenu, ont été par ailleurs rapportées dans la littérature, avec des points focaux de préconcentration observés parfois du côté anodique ou du coté cathodique pour une même protéine. Certaines expériences observent ces points focaux soit très loin en amont dans le microcanal réservoir soit directement à proximité de l’entrée du nanocanal. C’est dans ce contexte qu’a été développé précédemment un modèle unidimensionnel permettant de prédire le profil de concentration de l’analyte en tout point de la structure MNM(Micro/Nano/Microcanal) proposée. Ce travail de modélisation a démontré l’existence de quatre régimes distincts: deux régimes coté anodique et deux régimes coté cathodique, plus ou moins éloignés du nanocanal. Ce modèle a mis en avant la sélectivité de ce processus vis-à-vis de la mobilité électrophorétique et de la valence des analytes préconcentrés, et il a permis d’appréhender un peu mieux la diversité des expériences rapportées. Cependant, le régime de préconcentration obtenu dépend du bioanalyte étudié. Il serait pourtant intéressant de ne plus être tributaire des caractéristiques intrinsèques de la solution analysée et de ne plus subir le régime obtenu mais, au contraire, d’effectuer ce que l’on pourrait appeler une électropréconcentration sélective du dit analyte. Ceci pourrait permettre d’effectuer deux étapes primordiales de tout diagnostic que sont la séparation et la préconcentration d’un mélange. Pour se faire, nous avons introduit un paramètre expérimental, une composante hydrodynamique (ou surpression), en sus du champ électrique, pour moduler la localisation de la préconcentration.A l’aide d’une technologie "tout verre" récemment brevetée, nous élaborons aujourd’hui des puces intégrant une nanofente dans un long microcanal. Ces puces sont parfaitement isolantes, biocompatibles et présentent une tenue exceptionnelle au cours du temps. Elles sont combinées à un banc expérimental "fait maison" complètement automatisé (interfacé avec Matlab), qui permet de contrôler les différents paramètres imposés. Les données recueillies sont ensuite prétraitées par d’autres codes Matlab que nous avons développés. Grâce à ces divers outils, de nombreuses expériences d’électropréconcentration "classique" (champ électrique seul) et assistée en pression ont été réalisées pour deux bioanalytes modèles : la fluorescéine et la BSA (Bovin Serum Albumin). Elles ont permis de déterminer les différents paramètres influant sur la préconcentration de ces deux analytes et de prouver la sélectivité et l’efficacité de la méthode proposée ici. Des régimes de préconcentration inattendus, stables et présentant des taux élevés ont en effet été obtenus au cours de cette thèse. / Nanofluidics is the study of the transport of molecules through filtering nanostructures whose size approximates the thickness of the diffuse double layer at the surface of the glass. At this scale of hundreds of nanometers, the surface charge induces an exclusion of negative species outside the "nanofilter" and a retention effect of biomolecule. Studies on the electrokinetic transport in a single nanochannel have shown that it was theoretically possible to concentrate solutions, even highly diluted, with high rates (up to 103) thanks to a concentration polarization effect. This phenomenon can be exploited in many medical diagnostic applications (early and fast sample analysis), quality control (food, water) or defense (continuous monitoring of risky areas for biological terrorist threat). Modeling the dynamics of electropreconcentration phenomena (under an electric field) and retention phenomena (under a pressure gradient) of a single nanochannel is extremely difficult. A multitude of observations, often contradictory regarding the obtained preconcentration profile, were also reported with focal points observed sometimes in the anodic side and other times in the cathodic side for the same protein . Some experiments observe these focal points either upstream in the microchannel reservoir or directly at the entrance of the nanochannel. In this context, a one-dimensional model was previously developed to predict the concentration profile of the analyte at any point of the proposed MNM (Micro/Nano/Microchannel) structure. This modeling work has demonstrated the existence of four distinct regimes: two regimes in the anodic side and two regimes in the cathodic side, more or less distant from the nanochannel. This model highlighted the selectivity of the process regarding the electrophoretic mobility and the valence of the preconcentrated analytes and allowed to understand a little better the diversity of reported experiments. However, the obtained regime depends on the bioanalyte. Though it would be interesting not to be dependent of the characteristics of the analyzed solution and, on the contrary, to realize a selective electropreconcentration of the analyte. This could allow to perform two important steps in any diagnosis: the separation and the preconcentration of a mixture. To do so, we introduced an experimental setting, a hydrodynamic component (or pressure) in addition to the electric field to modulate the localization of the preconcentration .Using an "all glass" technology patented in LPN, chips perfectly insulating, biocompatible and with an exceptional resistance over time are now manufactured. These chips presenting a nanoslit in a straight microchannel are combined with a "homemade" experimental set-up fully automated (interfaced with Matlab®) which allow a perfect control of the various experimental parameters. The data obtained during experiments are then preprocessed by other Matlab codes that we have developed. Thanks to these various tools, many electropreconcentration experiments were performed for two bioanalytes: fluorescein and BSA (Bovin Serum Albumin). They have identified different parameters affecting the preconcentration of these analytes and they have demonstrated the selectivity and the efficiency of the method proposed in this thesis. Unexpected and stable preconcentration regime have been obtained with high rates of preconcentration.

Les microsystèmes intégrant des techniques microfluidiques offrent la possibilité de réaliser des analyses biologiques directement sur le site de prélèvement de l’échantillon. Ils ont pour objectifs notamment d’augmenter l’efficacité, la rapidité et l’accessibilité de ces tests. Pour développer efficacement un tel dispositif, un ensemble de critères doit être fixé tels que la limitation du coût, la portabilité, la simplicité d’utilisation et la précision des résultats. Un objectif de cette thèse est également de proposer un nouveau système portable permettant de répondre à un maximum d’applications. Pour cela, il convient d’intégrer et d’automatiser des protocoles biologiques complexes c’est-à-dire nécessitant l’ajout de plusieurs réactifs et des réactions en parallèle. A titre d’exemple, les tests ELISA sont abordés.Pour répondre à cette problématique, une technique innovante utilisant un matériau hyperélastique est combinée à une architecture X-Y. Des chambres étirables, permettant de calibrer et de mélanger des volumes compris entre 1 µL et une centaine de µL, sont ainsi réalisées. Différents protocoles sont intégrés et validés par ordre de complexité croissante dans des cartes microfluidiques en commençant par une gamme de dilution qui est la première étape pour la calibration des protocoles biologiques, puis un test enzymatique et un test ELISA homogène, avant d’aborder le test ELISA hétérogène qui est le protocole visé.Un démonstrateur permettant de piloter les cartes microfluidiques est ensuite présenté. Cette plateforme est générique et compatible avec les cartes microfluidiques développées. Enfin, pour automatiser complétement la mise en œuvre des protocoles, une nouvelle technique d’embarquement de réactifs liquide est proposée. / Microsystems utilizing microfluidic techniques offer the possibility to perform point-of-need biological analysis. An objective of these systems is to increase the efficiency, speed and accessibility of these analyses. In order to effectively develop this kind of device, a set of criteria must be established and adhered to. This set should address cost limitations, portability, user-friendliness, and accuracy of the results. Another objective is to propose a new portable system that has the capability to address as many applications as possible. To this end, complex biological assays with multiple steps and multiple reagents must be integrated and automated. ELISA is one such assay being considered.To deal with this issue, an innovative technique employs a hyper-elastic material joined to an X-Y architecture. The resulting chambers are flexible, thus allowing for calibration and mixing on the range of 1 µL to hundreds of µL. Several protocols are integrated and validated in microfluidic chips in order of increasing complexity. To start, a range of dilutions is performed, which is then used to calibrate biological assay. Next, an enzymatic assay and a homogeneous ELISA are integrated. Finally, heterogeneous ELISA, which is the aimed assay, is achieved.We present here a prototype to demonstrate the handling of the microfluidic chip. This platform is versatile and compatible with those that have been previously developed. Additionally, the introduction and integration of liquid reagents is proposed in order to completely automate the protocol.

L’objet de ce travail expérimental est l’étude de la mécanique de films de mousses dont la structure est confinée par leur faible épaisseur. A partir d’une méthode de moussage de dispersion de particules de polyuréthane, nous sommes parvenus à contrôler, de façon indépendante, la fraction d’air (ou la densité) de ces films, leur épaisseur e et la distribution des tailles de leurs pores (de diamètre moyen D ̅_b). Pour ce dernier paramètre, nous nous sommes intéressés au cas de distributions monodisperse, bidisperse et polydisperses. Les différentes structures obtenues ont été étudiées par tomographie aux rayons X, de manière à quantifier l’ordre induit par le confinement (profils de densité, position des centres de pores, tailles des éléments structuraux,…). Nous nous sommes intéressés à la mécanique de ces films de mousse en tension (dans le plan du film) et en compression (dans le plan orthogonal au film). Un travail spécifique mené sur la matrice de polymère nous a permis de déterminer des grandeurs adimensionnées (modules et contraintes caractéristiques) permettant une comparaison avec les données et les modèles de la littérature. Nous montrons qu’en plus de l’effet classique de la densité, le nombre moyen de bulles à travers l’épaisseur, i.e. e⁄D ̅_b , est un paramètre déterminant pour les deux directions de sollicitation. En élongation, les couches pariétales contribuent à augmenter le module élastique des films par rapport à une mousse non-confinée. Ce renforcement est d’autant plus important (jusqu’à deux fois) lorsque e⁄D ̅_b est faible, quel que soit le type de distribution des tailles de pores. En compression, les couches pariétales ne contribuent pas directement, mais le confinement joue également un rôle important, avec cette fois-ci un impact déterminant de la distribution des tailles de pores. Ainsi, un film de mousse monodisperse est ordonné comme un polycristal et présente des caractéristiques mécaniques nettement plus élevées qu’un film de mousse polydisperse, comportant de nombreuses zones de faiblesse mécanique engendrées par les défauts d’empilement des bulles initiales. Les films de mousse bidisperses ont une réponse mécanique qui se rapproche soit des mousses monodisperses, pour de relativement grands rapports e⁄D ̅_b , soit des mousses polydisperses, pour de relativement petits rapports( e)⁄D ̅_b / The subject of this experimental work is the study of foam films mechanics with a confined structure because of their low thickness. With our foaming method using polyurethane particles dispersion, we generated foam films with independent control over the gas fraction (or the density), the thickness e or the pore size distribution (with a mean diameter D ̅_b). For this last parameter, we focused on monodisperse, bidisperse and polydisperse distributions. Obtained structures were studied using X-ray tomography to quantify confinement-induced order (density profiles, pore center spatial position, structural elements size,…). The mechanics of such foam films was studied in both uniaxial tension (in-plane) and compression (orthogonal plan). A particular work was done on the polymer matrix in order to determine reduced values (moduli and characteristic stress) to compare our results with models in the literature. We show that in addition to the classic density effect, the mean number of bubbles across the thickness, i.e. e⁄D ̅_b is a determinant parameter for both stress directions. In tension, parietal walls contribute to increase the elastic modulus of films with respect to non-confined foam. This effect on the mechanical strength is even more important (up to two times) when e⁄D ̅_b is small without any effect regarding the pore size distribution. In compression, parietal walls do not contribute directly to the measured values but the confinement still has an important role, this time depending on the pore size distribution. Indeed, monodisperse foam films are organized in polycrystals with much better mechanical characteristics compared to polydisperse foam films that present numerous mechanical weak spots caused by initial bubble packing defects. Bidisperse foam films mechanical behavior is either close to monodisperse or polydisperse foam films respectively for high or small e⁄D ̅_b ratio

Depuis les observations par Poiseuille au XVIIIe de réseaux microvasculaires de petits vertébrés,la microcirculation sanguine a fait l'objet d'abondantes études. Une spécificité mise en avant par le médecin français est la forte hétérogénéité de la distribution des globules rouges dans ces réseaux. En dépit du lien étroit qui lie la fraction volumique locale des globules rouges(hématocrite) à l'oxygénation des tissus environnants, le couplage entre l'architecture microvasculaire et la micro-hémodynamique est encore mal compris. Le sang est un fluide complexe composé de globules rouges, cellules très déformables, suspendus dans du plasma.Dans les vaisseaux de petits diamètres, i.e. du même ordre de grandeur voire plus petits que la taille caractéristique d'un globule rouge (~10µm), le sang possède des propriétés rhéologiques atypiques induites par la structuration locale de l'écoulement et les hétérogénéités d'hématocrite qui en résultent dans la section droite. Ces hétérogénéités se traduisent, aux bifurcationsdivergentes, par une répartition non proportionnelle des débits de globules rouges et de plasma entre les deux branches filles. L'hématocrite de l'une d'elles est alors plus élevé que celui de labranche d'entrée, alors qu'il est plus faible dans l'autre branche. Cet effet, connu sous le nom d'effet de séparation de phase, induit une très grande hétérogénéité de l'hématocrite à l'échelle du réseau. L'objectif de cette thèse est d'étudier l'apparition de ces hétérogénéités, de l'échelle du vaisseau à l'échelle du réseau, dans des conditions expérimentales contrôlées et pour des régimes de confinement et d'hématocrite représentatifs des écoulement sanguins de la partie terminale du lit microvasculaire (artérioles, capillaires et veinules de diamètres inférieurs à 20 µm).De nombreuses données expérimentales ont été acquises in vivo, mais elles sont sujettes à de fortes incertitudes quant à la forme et aux dimensions de la section droite des vaisseaux, mais aussi soumises aux effets de régulations physiologiques des débits (e.g. par vasoconstriction ou vasodilatation). A notre connaissance, du fait des contraintes expérimentales inhérentes aux régimes de confinement et d'hématocrite des plus petits vaisseaux de la microcirculation, très peu d'études in vitro dans ces conditions ont été menées. Tout d'abord, nous présentons les profils de vitesse des globules rouges et les profils d'hématocrite obtenus grâce à une nouvelle méthode de mesure de concentration développée pendant ce travail, dans des canaux uniques de taille comprise entre 5 et 20µm, et dans une large gamme d'hématocrite. Nous proposons une paramétrisation générale semi-empirique de ces profils, qui prend en compte la présence d'unecouche d'exclusion plasmatique, observée quelle que soit la taille du canal aux faibleshématocrites. Ensuite, nous présentons une étude paramétrique de l’effet de séparation dephase. Nous montrons que les résultats obtenus sont indépendants, dans les régimes étudiés, de l’angle de la bifurcation et du débit de la branche d’entrée. Ces résultats sont en général en bon accord avec un modèle simple qui s’appuie sur la paramétrisation précédente des profils d'hématocrite et de vitesse des globules rouges et suppose l'existence d'une ligne séparatrice de fluides dans la section droite de la branche mère. Ces résultats suggèrent que les globules rouges peuvent être décrits par un fluide équivalent, y compris dans les conditions de très fortconfinement. Enfin, nous reportons pour la première fois des résultats quantitatifs liés à la distribution de l'hématocrite dans des réseaux modèles. Nous montrons notamment quel'asymétrie des profils d'hématocrite dans les branches amonts distribue les globules rouges en enrichissant le cœur du réseau au détriment des bords. Nous comparons nos résultats à ceux d’un modèle non-linéaire de type réseau classique proposant des corrections prenant en compte cette asymétrie.

Cette thèse a pour objectif de montrer de nouvelles possibilités de contrôle lumineux sur des systèmes biochimiques et physico-chimiques à l'aide de tensioactifs cationiques photosensibles. Leur groupement diazobenzène peut subir une photoisomérisation trans-cis réversible qui est à l'origine d'une modi cation de polarité, exploitée en particulier pour l'une de ces molécules appelée AzoTAB. La mise en présence d'ADN, d'AzoTAB et d'un milieu d'expression génétique in vitro a d'abord permis de montrer que le niveau de production d'une protéine pouvait être accru après illumination UV. Le changement de polarité photoinduit provoque ici une modifi cation de la conformation de l'ADN et l'ARN et ce qui change les vitesses des réactions de transcription et translation. A travers la synthèse de deux nouveaux analogues de l'AzoTAB comportant une queue plus hydrophobe, c'est aussi une amélioration de la concentration de molécules nécessaires à la transition de conformation de l'ADN qui a été évaluée. Ensuite, la déformation et la rupture photoinduite de vésicules géantes unilamellaires (GUV) dans un bain d'AzoTAB a été étudiée suivant leur composition. La formation de GUV relativement monodisperses a aussi été effectuée, grâce au dépôt contrôlé d'une multicouche de phospholipides sur du silicium plan microstructuré. La polarité photodépendante de ce tensioactif a enfi n été exploitée pour modi fier localement l'énergie d'une interface. D'une part à travers la photomanipulation d'une goutte d'huile millimétrique fl ottant sur un bain d'AzoTAB. D'autre part dans un dispositif microfl uidique, où la fragmentation par la lumière d'un écoulement biphasique laminaire en microgouttes a été montrée, avec une sélectivité spatiale.

Cette thèse présente diverses applications de la photopolymérisation radicalaire dans les puces microfluidiques. Dans un premier temps, nous décrirons l'importance des modifications de surfaces des puces microfluidiques afin de conférer à la surface un caractère hydrophile et neutre. Nous présenterons une modification de surface par photopolymérisation radicalaire in-situ de polyacrylamide pour des puces d'une part en PDMS, sur lequel la longévité des modifications de surface est difficile à obtenir, et d'autre part sur le COC qui étant inerte chimiquement, est difficilement modifiable. Dans une autre application la photopolymérisation sera effectuée en volume et nous permettra d'intégrer très simplement des MEMS, in-situ dans le microcanal. L'intégration de réseaux de colonnes fonctionnalisées avec des protéines sera présentée, ainsi que l'implémentation de deux capteurs de flux. Un capteur de flux basé sur l'élongation d'une structure déformable s'est montré très performant en terme de large gamme de mesures, de sensibilité et de reproductibilité. Le deuxième capteur de flux est basé sur la rotation d'un objet autour d'un axe. Sa mesure est indépendante de la viscosité du fluide malgré ses moindres performances.

In this thesis, we discuss some physical phenomena related to the manipulation of droplets, and their possible use as alternatives for digital microfluidics. In a first part, the behavior of droplets in the vicinity of another liquid interface is explored. We have shown that droplets can be kept bouncing onto a liquid interface, provided this latter is vertically vibrated. The bouncing mechanisms are investigated in several configurations. Bouncing droplets may also experience self-propulsion and partial coalescence. The second part of this thesis is dedicated to the study of droplets sliding down fibers. The basic microfluidic operations are advantageously implemented with simple fiber networks. Dans cette thèse, nous discutons plusieurs phénomènes physiques liés à la manipulation des gouttes et à leur application possible en temps qu'alternatives à la microfluidique digitale actuelle. La première partie est consacrée au comportement de gouttes au voisinage d'une autre interface liquide. Nous avons prouvé qu'une goutte peut rebondir indéfiniment sur une interface liquide vibrée verticalement. Les mécanismes du rebond sont analysés en détail pour plusieurs configurations. Sous certaines conditions, les gouttes rebondissantes peuvent également s'auto-propulser ou coalescer partiellement. Dans une seconde partie, nous étudions le glissement des gouttes sur des fibres. Les opérations microfluidiques de base sont avantageusement réalisées sur de simples réseaux de fibres.

Les systèmes d'analyse miniaturisés sont particulièrement adaptés pour les analyses de cellules en faible nombre ou de cellules isolées. Une telle diminution du volume d'analyse permet une augmentation de la concentration locale et par conséquent une augmentation de la sensibilité des mesures effectuées. Les travaux présentés dans cette thèse se positionnent dans ce cadre en proposant un outil analytique novateur, couplant le contrôle dynamique des micro-environnements de la cellule par la microfluidique et l'analyse instantanée et locale des espèces en solution par l'électrochimie.<br />Grâce au développement d'outils modulables de culture cellulaire et de manipulation de cellules vivantes dans des dispositifs microfluidiques, nous avons mis en place le contrôle dynamique stable de stimulations chimiques sur une population de cellules souches mésenchymateuses (CSM) en culture et poursuivons cette étude dans le but d'induire la réactivité cellulaire des CSM vers la voie de différenciation neuronale.<br />Le développement d'un microsystème intégré de détection électrochimique du stress oxydant sur cellules uniques est mis en oeuvre à travers la réalisation d'un dispositif microfluidique intégré consistant en un réseau de chambres de mesures, contenant des microélectrodes fonctionnelles, et permettant d'isoler des macrophages uniques et de les maintenir en survie pendant plusieurs dizaines de minutes, durée suffisante pour réaliser nos mesures électrochimiques. En faisant varier les conditions de mesure, comme le nombre de cellules sondées dans le même micro-environnement, la nature du stimulus ou la présence ou non de communication cellulaire avec une population voisine, nous posons les bases d'une analyse originale jamais réalisée jusqu'à présent.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Énergétique et transferts : Toulouse, INPT : 2006. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 25 réf.