Ce travail est une étude expérimentale et de modélisation d’une configuration de puce microfluidique réalisée par photoablation laser d’un polymère diélectrique, le polyéthylène téréphtalate (PET) pour des applications en bioanalyse. C’est une configuration dite « non-contact » dans laquelle deux microélectrodes sont galvaniquement isolées dans le PET sans contact avec l’électrolyte du microcanal. La caractérisation par spectroscopie d’impédance de la réponse diélectrique du PET seul a permis de conclure que le film de PET peut être considéré comme un élément à phase constante (CPE). Cela a permis la compréhension des impédances mesurées sur puce microfluidique suivant une perturbation alternative de 100 mV dans la gamme de fréquence comprise entre 1MHz à 1Hz est effectuée pour : un microcanal vide, et un microcanal rempli avec des solutions de différentes conductivités ioniques. Les résultats obtenus ont montré une grande sensibilité des mesures d’impédances par rapport aux variations de la conductivité électrique de la solution électrolytique. Un des résultats surprenant concernant les impédances identifiées a été le comportement CPE observé avec un exposant de 0,5 que nous avons relié à l’impédance de surface rugueuse due la microstructuration en surface du PET photoablaté. Tous ces résultats expérimentaux ont été confortés par la modélisation en utilisant les circuits électriques équivalents puis par les éléments finis. Ce qui a permis de modéliser à la fois les phénomènes physiques dans le microcanal et à l’interface PET/µ-canal photoablaté. Enfin, deux applications capteur puis biocapteur ont été mises en œuvre en suivant le module de l’impédance à fréquence fixe et en fonction du temps. Comme exemple ; l’étude de la cinétique d’adsorption de la BSA sur le PET et l’étude de la cinétique d’association/ dissociation entre la BSA et l’anti-BSA. / This work is an experimental study and modeling of a microfluidic chip configuration produced by laser photoablation process on a dielectric polymer, polyethylene terephthalate (PET) for new bioanalytical development. This configuration is named "non- contact" wherein two microelectrodes are galvanically isolated in the PET without contact with the streaming electrolyte. Characterization by impedance spectroscopy of the dielectric response of PET alone has concluded that the PET film can be regarded as a constant phase element (CPE). This has permitted a best understanding of the measured impedances in a microfluidic chip under a 100 mV AC excitation in the frequency range between 1 Hz to 1 MHz, which are performed for: an empty microchannel, and a filled microchannel with electrolytes at various ionic conductivities. The results obtained showed a high sensitivity of the impedance measurements in correlation with the electrical conductivity change of the electrolyte. One of the surprising results relating to the identified impedances was a CPE behavior observed with an exponent of 0.5. This latter has been connected to the impedance due to the PET surface roughness. All these experimental results were supported by modeling using the equivalent circuits and by the finite elements. This was used to model both the physical phenomena in the microchannel and at PET interface/? - channel photoablated. Finally, both sensor and biosensor applications have been implemented in the microchip by recording the impedance module at fixed frequency with time. As examples, the investigating of the kinetics of BSA adsorption on the PET and the kinetics of association / dissociation between BSA and anti?BSA have been demonstrated.

Dans cette thèse, deux dispositifs de culture in vitro de cellules ont été développés selon des technologies de microfabrication, qui offrent de nouveaux niveaux de contrôle sur le microenvironnement de la culture cellulaire. Les applications des dispositifs développés dans la recherche sur le cancer et la neurobiologie ont été démontrées, notamment pour l'étude fondamentale de métastases du cancer et le pathfinding axonal de neurones. La puce microfluidique dédiée à la transmigration comprend des microcanaux utilisées pour mimer les capillaires des tissus le long de la trajectoire des cellules cancéreuses lors de la métastase. La transparence optique du dispositif a permis une bonne observation de la déformation et de la migration des cellules dans les capillaires artificiels. Les résultats ont montré que la déformation du noyau de la cellule rigide était une des étapes les fastidieuses du processus de transmigration. Les restrictions physiques modifient la morphologie des cellules, mais elles affectent aussi de manière significative leur profil de migration. D'autres études sur le contenu moléculaire et les propriétés biologiques des cellules transmigrées ont montré que le blocage des modifications des histones par un médicament spécifique peut inhiber la transmigration des cellules cancéreuses dans le microcanal, ce qui pourrait avoir des implications sur la prévention et le traitement du cancer. La puce microfluidique peut également être utilisée pour évaluer la déformabilité de la cellule, qui est un marqueur pronostique potentiel pour le diagnostic du cancer. La puce de la culture de neurones permet la culture de cellules dans un microenvironnement au sein duquel de protéines sont imprimées selon des motifs géométriques précis. Les somas et axones des neurones mis en culture dans le dispositif peuvent être polarisés dans différents environnements fluidiquement isolés sur une longue période. L'extension des axones peut être guidée par des protéines immobilisées sur le substrat de verre. La croissance axonale orientée peut en outre être modulée par un traitement médicamenteux localisé. Les études sur le mécanisme moléculaire sous-jacent ont révélé que ces processus ont été étroitement associés à des protéines synthétisées localement dans les extrémités d'axones en croissance / In this PhD project, two in vitro cell culture devices were developed via microfabrication technologies, which provided entirely new levels of controls over the cell culture microenvironment. The applications of the developed devices in cancer and neurobiology researches were demonstrated, specifically for the fundamental study of cancer metastasis and neural axonal pathfinding. The microfluidic transmigration chip used microchannel structures to mimic the tissue capillaries along the path of cancer cell metastasis. The transparent optical qualities of the device allowed good observation of the deformation and migration of cells in the artificial capillaries. Results showed that deformation of the stiff cell nucleus were the most time-consuming steps during the transmigration process. The physical restrictions not only changed the morphology of the cells, but also significantly affect their migration profile. Further studies on the molecular contents and biological properties of the transmigrated cells showed that blocking the histone modifications by specific drug can inhibit the transmigration of cancer cells in the microchannel, which might have implications on cancer prevention and treatment. The microfluidic chip can also be used to evaluate cell deformability, which is a potential prognostic marker for cancer diagnosis. The neural culture chip integrated microfluidic cell culture and protein patterning techniques. The somas and axons of neurons cultured in the device can be polarized into different fluidically isolated environments for long period, and the extension of the axons can be guided by proteins immobilized on the glass substrate into specific patterns. The oriented axon growth can be further modulated by localized drug treatment. Studies on the underlying molecular mechanism revealed that these processes were closely associated with the proteins synthesized locally in the tips of growing axons

Les métamatériaux sont définis comme étant des matériaux artificiels présentant des propriétés exotiques qui modifient la propagation des ondes électromagnétiques. À la fin des années 90, Pendry et al. démontrèrent théoriquement qu'il est possible de générer de tels métamatériaux, grâce à des structures particulières au sein du matériau (le fameux "splitring resonator"). Les métamatériaux sont donc structurés à une échelle inférieure à la longueur d'onde incidente, et décrits par une permittivité et une perméabilité effective. En 2000, Smith et al. fabriquèrent le premier métamatériau mais dans la gamme micro-onde. Les perspectives dans le domaine de l'optique (300800 nm) sont très prometteuses, mais le transfert des technologies utilisées en micro-ondes rencontre des obstacles. Un des défis dans le domaine émergent des métamatériaux est d'assembler à grande échelle des nanoparticules NPs (10-50 nm) en des super-réseaux présentant des propriétés collectives. Des nanostructures tridimensionnelles de matériaux nobles, ayant de fortes réponses plasmoniques, peuvent en effet générer des matériaux aux nouvelles propriétés optiques. Cette thèse fait partie du projet européen METACHEM, dont le but est de fabriquer des métamatériaux dans le domaine de l'infrarouge et du visible, en se basant sur l'utilisation de la nanochimie et de l'assemblage de matériaux. Plus précisément, ce travail de thèse se situe à l'interface entre les groupes de chimie qui synthétisent des nanoparticules en dispersion, et les groupes de caractérisation optique des matériaux. Dans ce travail de thèse, nous utilisons une technique originale la microévaporation basée sur les outils microfluidiques, afin de générer de façon contrôlée des assemblées 3D de nanoparticules (dimensions typiques 1 mm10 m 50 m). / 1-Microevaporation - Microfluidics is the branch of fluid mechanics dedicated to the study of flows in the channel withdimensions between 1 micron and 100 micron. The object of this chapter is to illustrate the basicprinciples and possible applications of microfluidic chip, called microevaporator. In the first part ofthe chapter, we present a detailed description of the physics of microevaporators using analyticalarguments, and describe some applications. In the second part of the chapter, we present theexperimental protocol of engineering of micro evaporator and different type of microfluidics device.2- On-chip microspectroscopy - The object of this chapter is to illustrate a method to measure absorption spectra during theprocess of growth of our materials in our microfluidic tools. The aim is to make an opticalcharacterization of our micro materials and to carry-out a spatio-temporal study of kineticproperties of our dispersion under study. This instrumental chapter presents the theoretical basis !of the method we used.3-Role of colloidal stability in the growth of micromaterials - We used combined microspectroscopy and videomicroscopy to follow the nucleation and growth ofmaterials made of core-shell Ag@SiO2 NPs in micro evaporators.!We evidence that the growth is actually not always possible, and instead precipitation may occurduring the concentration process. This event is governed by the concentration of dispersion in thereservoir and we assume that its origin come from ionic species that are concentrated all togetherwith the NPs and may alter the colloidal stability en route towards high concentration. 4-Microfluidic-induced growth and shape-up of three-dimensional extended arrays of denselypacked nano particles - In this chapter I present in details microfluidic evaporation experiments to engineer various denselypacked 3D arrays of NPs.5-Bulk metamaterials assembled by microfluidic evaporation - In this chapter I introduced the technique we used (microspot ellipsometry) in close collaborationswith V.Kravets and A.Grigorenko(University of Manchester) and with A.Aradian, P.Barois, A.Baron,K.Ehrhardt(CRPP, Pessac) to characterized the solids made of densely packed NPs. I describe theconstraints that emerge from the coupling between the small size of our materials and the opticalrequirements, the analysis and interpretation of the ellipsometry experiments show that for thematerial with high volume fraction of metal exists the strong electrical coupling between the NPsand the materials display an extremely high refraction index in the near infra-red regime.

Le but de cette étude est de concevoir, fabriquer et caractériser une puce microfluidique afin de mettre en oeuve la capture de nanoparticules magnétiques fonctionnalisées en vue de la reconnaissance d’anticorps spécifiques (couplage d’une très grande spécificité et sensibilité). Après avoir modélisé et simulé les performances de la microbobine intégrée dans le canal de la puce microfluidique en prenant soin de limiter la température du fluide à 37°C, la capture devant être effective, le microsystème est fabriqué en salle blanche en utilisant des procédés de fabrication collective. La fabrication du microdispositif en PDMS a aussi donné lieu à l’optimisation de procédés de modification de surface afin d’assurer la ré-utilisation du microdispositif (packaging réversible) et la limitation de l’adsorption non spécifique. L’immobilisation des anticorps su les billes (300 nm) a été menée à l’intérieur du canal en utilisant un protocole de type ELISA éprouvé. Le procédé a montré qu’il était également efficient pour cet environnement puisque nous avons pu mettre ne évidence la capture de nanoparticules / In this study, a concept of microfluidic chip with embedded planar coils is designed and fabricated for the aim of trapping effectively functionalized magnetic nanobeads and immobilizing antibody (IgG type). The planar coils as a heart of microfluidic chip is designed with criterion parameters which are optimized from simulation parameters of the maximum magnetic field, low power consumption and high power efficiency by FE method. The characterization of microcoils such as effectively nanobeads (300 nm) at low temperature (<37oC) is performed and confirmed. The channel network in PDMS material is designed for matching with entire process (including mixing and trapping beads) in microfluidic chip. A process of PDMS’s surface modification is also carried out in the assemble step of chip in order to limit the non-specific adsorption of many bio substances on PDMS surface. The microfluidic chip assemble is performed by using some developed techniques of reversible packaging PDMS microfluidic chip (such as stamping technique, using non-adhesive layer, oxygen plasma combining with solvent treatment). These packaging methods are important to reused microchip (specially the bottom substrate) in many times. The immobilization of antibody IgG-type is performed inside microfluidic chip following the standard protocol of bead-based ELISA in micro test tube. The result showed that IgG antibodies are well grafted on the surface of carboxyl-beads (comparing to result of standard protocol); these grafted antibodies are confirmed by coupling them with labeled second antibody (Fab-FITC conjugation).