Lorsqu'un liquide mouillant touche un solide, on observe un ménisque de taille millimétrique. Si le solide est rugueux à une échelle submillimétrique, le liquide peut progresser le long des aspérités sur une distance qui est potentiellement illimitée si le solide est horizontal. Nous modélisons la rugosité avec des piliers cylindriques et montrons que quelques cylindres seulement suffisent à transporter et guider précisément un liquide. Nous étudions la dynamique macroscopique et microscopique de l'invasion. Nous examinons ensuite combien de liquide s'accumule dans une variété de textures et proposons un nouveau type de détergence pour extraire le liquide de la rugosité. Nous prenons aussi la gravité en compte et l'utilisons d'abord pour démontrer que plusieurs fronts liquides peuvent être observés simultanément dans des porosités multi-échelles. Nous nous intéressons enfin aux ponts capillaires millimétriques et nous dédions notre dernier chapitre à leur dynamique de croissance radiale. / When a wetting liquid contacts a solid, we observe a liquid meniscus of millimetric size. If the solid is rough at a submillimetric scale, the liquid may progress along the asperities for a potentially unlimited distance if the solid is horizontal. We model the roughness with a regular texture and show that a low number of surface features is sufficient to transport and precisely guide a liquid. We study the macroscopic and microscopic dynamics of the invasion. We examine then how much liquid accumulates in a variety of texture and propose a new kind of detergency to remove the liquid from the roughness. We also consider the influence of gravity and use it to demonstrate that multiple liquid fronts can be observed simultaneously in porosities of different scales. Then we turn our attention to millimetric capillary bridges and dedicate our last chapter to explain their dynamics of radial growth with the Cox-Voinov model.

In the pursuit to create more natural, chemical-free antibacterial surfaces, fracture mechanics and the ability of laser-modified surfaces to store an antimicrobial agent have been investigated through the combination of scanning electron microscopy coupled with focused ion beam, infrared spectroscopy, bactericidal tests and a colorimetric method. It was found that the irradiation of a nanosecond pulsed laser on Ti-6Al-4V and 304L stainless steel surfaces creates colored oxide layers with 100-150 nm in thickness and, by using the adequate parameters, it is possible to obtain surfaces with cracks of 1-6 μm deep that not only penetrate the film but also the substrate. Physisorption was used to immobilize nisin, an antimicrobial agent, to the walls of those cracks. Antibacterial tests show that nisin-coated oxide layers exhibit antibacterial activity against Listeria monocytogenes even after immersion in water or the application of mechanical scrubbing, and release kinetics tests demonstrated that nisin desorption is promoted by acidic pH and that nisin is effectively stored into the cracks of stainless steel. The immobilization into the cracks of the titanium oxide layer seem to reveal that there is an excellent anchor between the peptide and the crack walls, but future research is still required.

Thesis (Ph.D.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Mathematics, 1982. / MICROFICHE COPY AVAILABLE IN ARCHIVES AND SCIENCE / Bibliography: leaves 155-156. / by Robert Clack Penner. / Ph.D.

Le potentiel du polydiméthylsiloxane (PDMS), élastomère transparent et déformable réversiblement en temps réel, est mis en avant dans ce travail comme substrat fonctionnel dans le domaine de l’optique et du mouillage. Dans une première partie, nous avons développé des surfaces de PDMS ridées à l’aide d’instabilités de flambage, de longueurs d’onde (λ) et d’amplitude (A) variables et contrôlées, puis nous avons organisé sélectivement des nano-objets sur cette texturation de surface avec afin d’en moduler la physico-chimie. Dans une seconde partie, la génération, in situ, de nano-plots/nanoparticules d’or et d’argent à la surface de verre et de PDMS a été étudiée et caractérisée d’un point de vue optique. / The polydimethylsiloxane (PDMS), a transparent and stretchable elastomer, is put forward in this work as a functional substrate in the field of optics and wetting. In the first part, we have developed wrinkled PDMS surfaces via controlled buckling instabilities. We were able to tune both the wavelength (λ) and the amplitude (A) of the structuration on a large length scale. We have then selectively organized some nanoparticles the textured surfaces in order to modulate its physical-chemistry. In the second part, in situ generation of gold and silver nanoparticles/plots has been developed and studied both on glass PDMS surfaces and subsequently characterized optically.

Les modifications physiologiques dans la configuration spatiale des organes pelviens sont de plus en plus diagnostiquées et traitées pour améliorer la qualité de vie des patientes. Le projet MoDyPe (ANR-09-SYSC-008) a été créé pour concevoir un simulateur chirurgical patiente-spécifique, et quantifier le geste médical en mode pré-opératoire. La modélisation géométrique des organes se fait à partir de nuages de points épars bruités. Les formes sont considérées fermées, lisses, creuses et à membrane épaisse. Le processus est décomposé en deux étapes : la construction de la surface et l'ajout d'une épaisseur.Afin de respecter les contraintes physiologiques, de manipuler la géométrie et de localiser précisément un point sur la surface, une B-spline de genre 0 au moins C1-continue est ajustée aux données. La fonction à minimiser est basée sur une énergie bidirectionnelle, caractérisant la dissimilarité des données sur l'échantillonnage et inversement. Sa réduction repose sur un schéma alternant re-paramétrisation et descente de gradient à pas optimal.Une surface-offset est ensuite générée vers l'intérieur de l'organe, via un maillage discret, en traitant le problème d'auto-intersection. Elle exploite la forme allongée des organes, grâce à un axe curviligne décrivant leur diamètre généralisé.Finalement, un maillage hexaédrique est créé à partir de la surface ajustée et de l'offset, qui sert à la simulation mécanique du comportement des organes à l'étape suivante du projet. / Physiological changes in the spatial configuration of the organs in the pelvic area are increasingly taken into account and treated to enhance the comfort of patients. MoDyPe project (ANR-09-SYSC-008 french support) has been created to develop a patient-specific simulator and to quantify the surgical gesture for preoperative purposes. The geometric modeling of the organs starts with noisy scattered point clouds. The shapes have been considered closed, smooth, hollow with a thick membrane. The process can be divided into two main parts: the construction of the surface and the addition of a thickness.In order to meet the physiological constraints, to manipulate the geometry and to accurately localize a point on the surface, a 0-genus B-spline surface is fitted to the data. It minimizes a bidirectional energy, characterizing the dissimilarities between the surface sampling and the input dataset. Its reduction is based on an alternate scheme between re-parametrization and optimal steepest descent step.Once achieved, an offset-surface is generated inwards, helped by a mesh to overcome self-intersection problems. The method created takes into account the elongated shapes of the organs, based on a curvilinear axis describing their generalized diameter.Finally, a hexahedral mesh is created from the fitted surface and its offset. It is the start point for the next step of the project consisting in mechanically simulating the dynamic behavior of the organs.

The focus of this project consists of investigating when a ruled surface is a minimal surface. A minimal surface is a surface with zero mean curvature. In this project the basic terminology of differential geometry will be discussed including examples where the terminology will be applied to the different subjects of differential geometry. In addition the focus will be on a classical theorem of minimal surfaces referred to as the Plateau's Problem.

L’augmentation de la densité d’intégration de composants électroniques (CMOS, FDSOI 14 nm, mémoires flash) et le développement de nouveaux dispositifs (capteurs d’images, composants photoniques) font émerger de nouveaux problèmes de fabrication des puces dans l’industrie de la microélectronique. L’efficacité des procédés humides de gravure et de nettoyage de la surface structurée des composants peut être limitée par un mouillage incomplet des micro/nanostructures dont les dimensions chutent alors que les rapports d’aspect augmentent fortement. L’état de mouillage et les cinétiques de remplissage des micro/nanostructures constituent alors deux paramètres clés pour adapter au mieux les procédés humides. Ce travail de thèse, réalisé en collaboration avec STMicroelectronics, présente une méthode acoustique originale de réflectométrie haute fréquence appliquée à la caractérisation du mouillage de surfaces structurées industrielles aux échelles micrométriques (vias) et nanométriques (tranchées profondes d’isolation de pixels, contacts de transistors CMOS). Deux modèles acoustiques ont été développés : un modèle numérique par différences finies et un modèle analytique basé sur la diffraction. Ils nous ont permis de mieux comprendre le comportement de l’onde acoustique dans les micro/nanostructures et d’interpréter les mesures expérimentales de mouillage. Nous avons alors déterminé localement l’état de mouillage des structures (état Wenzel, Cassie, composites) et détecté l’imprégnation de surfaces initialement non-mouillantes par abaissement de la tension superficielle des liquides. La cinétique de remplissage de vias micrométriques a aussi pu être mesurée. / Large scale integration in the field of electronic components (CMOS, FDSOI 14 nm, flash memory), and the development of new devices (image sensors, photonic components) raise new issues in chip manufacturing in the microelectronics industry. Wet etching and wet cleaning efficiency of the patterned surface of the components can be limited by an incomplete wetting of the micro/nanostructures, for which dimensions shrink and aspect ratios increase highly. Wetting state and micro/nanostructures filling kinetics are then two key parameters to adapt the wet processes at best. This thesis work, conducted in partnership with STMicroelectronics, presents an original acoustic method of high frequency reflectometry for wetting characterization of industrial structured surfaces at the micrometric (vias) and nanometric scale (deep trenches for pixels insulation, CMOS transistor contacts). Two acoustic models have been developed: one numerical finite difference model and one analytical model based on diffraction. They enable us to have a better understanding of the acoustic wave behavior inside the micro/nanostructures and to interpret the experimental measurements of wetting. We determined the wetting state of the structures (Wenzel, Cassie, composite states) and imbibition of initially non-wetting surfaces has been detected by lowering the surface tension of the liquids. Micrometric vias filling kinetics has also been measured.

Au cours de ce travail, nous avons décrit et mis en œuvre la fabrication de surfaces nanostructurées d’alumine par anodisation de feuilles d’aluminium de très grande pureté. Les paramètres morphologiques caractérisant la membrane d’oxyde que sont le diamètre des pores, leur profondeur et leur espacement sont finement contrôlés par les paramètres expérimentaux. Ces surfaces nanotexturées ont permis l’étude approfondie de l’interaction solide-liquide au sein des pores et de la physique de la ligne de contact devant composer avec les nano-aspérités de surface. Ces deux éléments ont pu être appréhendés par des mesures d’angles de contact à l’équilibre et d’hystérésis de mouillage. La modélisation des résultats a montré l’inadéquation des modèles classiques de CASSIE, WENZEL ou de capillarité à cette situation. L’adjonction du terme controversé de tension de ligne permet de bonnes prévisions. Nous montrons que cette interprétation n’est pas unique ; une diminution de l’énergie de surface due à la forte courbure des pores conduit à des résultats identiques. Une investigation théorique a été menée par l’intégration des forces de VAN DER WAALS. La baisse de l’énergie de surface est prévue mais dans des proportions insuffisantes. Le modèle peut être amélioré. Les mesures d’hystérésis ont dévoilé le pouvoir adhésif des surfaces nanoporeuses. À cause des forces de capillarité dans les pores, la ligne de contact ne peut jamais reculer. Les angles d’avancée ont montré que la ligne de contact a une épaisseur négligeable devant la dizaine de nanomètre. Elle peut en outre parfaitement contourner les pores, imprimant de fortes courbures à l’interface liquide-gaz à la base de la goutte. Sa forme tridimensionnelle a été abordée au travers d’un modèle numérique restant à perfectionner. / In this work, we have described and carried out the fabrication of nanostructured alumina surfaces by anodizing highly pure aluminum foils. The pore diameter, depth and spacing are finely controled through experimental parameters. These nanotextured surfaces allowed a thorough study of the solid-liquid interactions within the pores and of the contact-line constrained by the surface nanoasperities. Equilibrium contact-angle and wetting hysteresis measurements were helpful to apprehend them. Modeling the results has revealed the inability of classical CASSIE, WENZEL and capillarity models to properly match the situation. Adding the controversial line-tension term solves the problem and provides good predictions. Anyway, this interpretation is not unique. A lower surface energy within the pores due to their strong curvature yields the same modeling quality. This case has been theoretically investigated through the integration of VAN DER WAALS’ forces. A surface-energy decrease has been calculated but it is not as strong as required. The model still can be improved. Hysteresis measurements have highlighted the nanoporous surfaces are strongly adhesive. Because of the pore size, the capillarity is very marked and keeps the contact line from receding. The advancing contact angles have shown that the contact-line thickness is negligible with respect of ten nanometres. In addition, it can circumvent the pore openings which involves strong liquid–gas interface curvatures at the drop base. The three-dimensional liquid–gas interface shape has been studied with a numerical model that still has to be enhanced.

L'agrégation protéique induite par la surface des matériaux est un phénomène important dans la stabilité des protéines thérapeutiques. En utilisant l'insuline humaine, nous avons étudié les phénomènes agrégation en présence de surfaces neutres hydrophobes ou hydrophiles et avons montré que la nucléation a lieu sur les surfaces hydrophobes que l'on soit à pH 2.5 ou 7.3. Nous avons montré que l'énergie d'activation de la nucléation est abaissée sur surface hydrophobe. De plus, il apparait que l'agitation de la solution a des effets antagonistes. En particulier, les forces hydrodynamiques de cisaillement détachent de la surface les fibres. Par Résonance Plasmonique de Surface, spectroscopie infrarouge et microscopie à fluorescence, nous avons pu définir les étapes moléculaires ayant lieu à l'interface matériaux hydrophobe/solution. L'insuline s'adsorbe tout d'abord rapidement sur la surface, puis s'accumule lentement parallèlement à une transition de la structure α initiale vers une structure β, aboutissant à la formation de fibres amyloïdes. Par la suite, nous avons étudié le mécanisme d'action d'un peptide connu pour accélérer l'agrégation de l'insuline (LVEALYL). Ce peptide s'adsorbe de façon stable sur la surface hydrophobe en structure β et facilite l'accumulation d'insuline. De plus, il apparait que la séquence du peptide n'est pas essentielle à son action car différents peptides adoptant une structure β sur la surface sont également capables d'induire l'agrégation de l'insuline. La présence de prolines aboli cette action. Ces résultats apportent d'importantes informations sur les mécanismes moléculaires d'auto-association de l'insuline. L'hydrophobicité du matériau facilite le dépliement de l'insuline adsorbée, aboutissant à l'exposition du segment LVEALYL. Cette séquence facilite la propagation du changement de conformation vers les molécules nouvellement adsorbées. Agir contre ce phénomène pourrait permettre de stabiliser les solutions protéiques. / Material surface-induced protein aggregation is important for the stability of therapeutic proteins. Using human insulin, we first study its amyloidal aggregation on neutral hydrophobic or hydrophilic surfaces and show that nucleation takes place on the hydrophobic surfaces at both pH 2.5 and 7.3. We show that the activation energy for nucleation is lower on hydrophobic surfaces than in solution. We observed that agitating the solution has several antagonistic effects. In particular, the hydrodynamic shear stress detaches surface-borne fibrils. Using Surface Plasmon Resonance imaging, infrared spectroscopy and fluorescence microscopy we then define the sequence of molecular events that happen at the interface between hydrophobic materials and fluid phase. Insulin first adsorbs rapidly on the surface and then continues to accumulate, in parallel with an alpha-to beta-structural transition leading to amyloid fibril formation. Hereafter, we study the mechanism of action of a small peptide known to accelerate insulin aggregation (LVEALYL). This peptide stably adsorbs in β-conformation on the surface and helps accumulating insulin on the surface. Moreover, it appears that its sequence is not essential for its effectiveness, since several peptides, having a β-sheet structure on the surface, induce insulin aggregation. The presence of prolines abolishes its pro-aggregative activity. These results shed light on the molecular details of insulin self-association. The hydrophobic nature of material surfaces facilitates the unfolding of adsorbed insulin, resulting in the exposure of the LVEALYL peptide segment. This peptide promotes the propagation of conformational changes among incoming proteins. Counteracting this propagation could help stabilizing protein solutions.

Le repliement et la stabilité des protéines dépendent des conditions physico-chimiques de leur environnement. En particulier, le pH, la température, l’agitation et les interactions avec d’autres macromolécules ou avec les interfaces (liquide–surfaces des matériaux ; air-liquide ; etc.) sont connues pour induire des phénomènes de dénaturation et d’agrégation des protéines.Le contrôle de la stabilité des protéines thérapeutiques représente un enjeu médical et économique pour l’industrie pharmaceutique. L’insuline, qui est la protéine thérapeutique la plus produite, est connue in vitro pour former des fibres amyloïdes induites par les surfaces hydrophobes. Les agrégations amyloïdes sont également impliquées dans un certain nombre de pathologies, notamment humaines et animales présentant de forts enjeux de santé publique et économiques.Cette thèse traite en particulier de l’agrégation amyloïde à la surface des matériaux en utilisant l’insuline comme protéine modèle. Les travaux précédents réalisés par notre équipe ont démontré que des peptides de courte longueur avaient la capacité de modifier très significativement la cinétique d’agrégation induite par la surface des matériaux, et ce à des concentrations sub-stœchiométriques par rapport à l'insuline. En particulier les peptides adoptant une conformation secondaire en feuillet beta une fois adsorbés sur les surfaces hydrophobes, induisent une réduction drastique de la durée de nucléation de fibres amyloïdes d’insuline.Dans les travaux présentés ici nous avons découvert des séquences peptidiques présentant, toujours à des concentrations sub-stœchiométriques, deux effets antagonistes sur la cinétique de l’agrégation amyloïde de l’insuline. Le premier effet, coopératif et localisé à la surface de matériaux hydrophobes, résulte en une accélération de la nucléation. A l’inverse le second effet provient des peptides en solution et résulte en une puissante inhibition à la fois de la nucléation et de l’élongation des fibres.Nous avons premièrement caractérisé quantitativement ces effets pour un ensemble de peptides possédant des séquences de type (LK)nL, et investigué les mécanismes à l’origine du phénomène accélérateur. Des mesures quantitatives de fluorescence (Thioflavine T, marquage fluorescent du peptide) ont permis de montrer que l’adsorption coopérative des peptides sur la surface du matériau était responsable de l’accélération de la vitesse de nucléation. Pour l’effet inhibiteur, provenant des peptides en solution, nous avons démontré que cet effet résulte de la liaison des peptides sur l’insuline fibrillaire et qu’il est médié par les charge.De surcroit nous avons étudié la localisation de la nucléation et de l’apparition des premiers agrégats par microscopie à fluorescence. Nous avons observé que les zones situées à l’interface triple matériau-air-solution et subissant une contrainte de cisaillement élevé étaient les sites préférentiels d’apparition des premiers agrégats amyloïdes et donc très probablement les régions dominantes en termes de nucléation.Nous avons enfin développé une technique permettant une croissance localisée, patternable et induite par la lumière d’agrégats amyloïde d’insuline sur une surface de verre. Cette voie d’agrégation singulière ne présente pas de phase de nucléation apparente et dépend strictement de la présence de Thioflavine T. Nous avons montré que la Thioflavine T insérée entre les feuillets béta et qui peut être excitée à 440 nm fournit localement l’énergie nécessaire pour la transition de conformation de l’insuline native adsorbée vers l’état agrégé. Cette méthode permet d’obtenir une croissance différentielle entre des zones de surface hydrophile et hydrophobe. / The folding and stability of proteins depend on the physico-chemical conditions of their environment. Especially pH, temperature, stirring and interactions with other macromolecules or with interfaces (liquid-material surfaces; air-liquid; etc.) are known to induce protein denaturation and aggregation phenomena.The control of therapeutic protein stability represents a medical and economic challenge for the pharmaceutic industry. For instance insulin, which is the most s model produced therapeutic protein, is known to form amyloid aggregates in vitro induced by hydrophobic surfaces. Amyloid aggregates are also involved in several pathologies including human and animal diseases of high economic and public health impact.This thesis focuses on amyloid aggregation at material surfaces using insulin as a model protein. Previous work from our team have demonstrated that short peptides have the ability to significantly interfere with the kinetics of surface-driven amyloid aggregation and this at sub-stoichiometric concentrations with respect to insulin. In particular peptides adopting a beta-sheet secondary structure when adsorbed on hydrophobic surfaces, were able to reduce the nucleation time of insulin aggregation.In the present work we have discovered peptide sequences presenting, again at sub-stoichiometric concentrations, two antagonistic effects on insulin aggregation kinetics. The first consists in a cooperative reduction of the nucleation time and operates via peptides bound to the material surface. The second, on the other hand, results in a powerful inhibition of both nucleation and fiber elongation via peptides remaining in solution.We have first quantitatively characterized these effects on a set of peptides presenting alternate primary sequences of the type (LK)nL, and investigated the underlying mechanisms promoting insulin nucleation. Quantitative fluorescence measurements (Thioflavin T, fluorescent labelling of the peptide) have shown that the cooperative adsorption of peptides on hydrophobic material surfaces was responsible for the reduction of the insulin nucleation time. We have then shown that the inhibitory effect results from the binding of peptides in solution to fibrillar insulin aggregates and that this effect is mediated by charges.In addition we studied the localization of the insulin nucleation and of the appearance of the first aggregates using fluorescence microscopy. We observed the preferential appearance of the first ThT positive aggregates at the solid-liquid-air triple interface undergoing high shear stress, making these regions the predominant nucleation sites.We eventually developed a technique allowing a localized and patterned growth of light-induced insulin aggregates on glass surfaces. This atypical aggregation pathway does not present any observable lag time and depends strictly on Thioflavin T. We have shown that the ThT inserted between the cross beta-sheets and which can be excited at 440 nm locally provides the energy required for the conformational transition of the native insulin into the aggregated one. This method can be used to obtain a differential amyloid growth between surface area of different hydrophobicity.