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Since the 2000s, the demand for reliable and portable biological and chemical analysis tools has increased in several areas (health, environment, agrifood, etc.). To meet this demand, miniaturized analysis tools, written "lab-on-a-chip" have been developed, in particular on a technical level, over the past decade. However, large-scale industrial developments in lab-on-chips have yet to be discovered and exploited. This thesis tries to give an answer to the industrial development of labs-on-chip. Our basic postulate is a mimetic of the development of microelectronics. Indeed, it has been dazzling over the past 50 years thanks to the separation of the skills of manufacturing technology and those of modeling. This separation allowed the free creation of industries specializing in either manufacturing or modeling without interdependence with each other.The aim of this thesis was to develop different simulation tools for labs on chips compatible with an electronic simulation environment. We have been able to develop different approaches at different levels of abstractions in order to allow greater freedom of response to the simulation of a laboratory on a chip.; Depuis les années 2000 la demande en outils d’analyses biologiques et chimiques, fiables et portatifs a augmenté dans plusieurs domaines (santé, environnement, agroalimentaire, …). Pour répondre à cette demande, des outils d’analyses miniaturisés, appelés « laboratoires sur puces » se sont développés en particulier sur le plan technique au cours de la dernière décennie. Cependant, les développements industriels à grande échelle des laboratoires sur puces restent encore à découvrir et à être exploités. Cette thèse essaie de donner une réponse au développementindustriel des laboratoires sur puce. Notre postulat de base est un mimétique du développement de la microélectronique. En effet, celui-ci a été fulgurant ces 50 dernières années grâce à la séparation des compétences de technologie de fabrication et de celles de modélisation. Cette séparation a permis la libre création d’industries spécialisées soit dans la fabrication, soit dans la modélisation sans interdépendance l’une avec l’autre.Le but de cette thèse a été de développer différents outils de simulation pour les laboratoires sur puces compatibles avec un environnement de simulation électronique. Nous avons pu développer différentes approches à des niveaux d’abstractions différents afin de permettre une plus grande liberté de réponse à la simulation d’un laboratoire sur puce.

Microfluidics are the set of technologies that allow the manipulation and characterization of fluids at micrometric or nanometric scales. It can be considered both as a science aimed at studying the behavior of fluids within these micro-channels, and a technology allowing the manufacture and use of microfluidic devices. These devices consist of a flat surface on which capillaries and reaction chambers are formed by photolithography, molding or stamping. Liquids in micrometric or nanometric volumes are then inserted into these capillaries where they are displaced, fractionated, separated or mixed to obtain chemical reactions. The interest of working with micrometric volumes, besides the economy of means used, lies in the acceleration and automation of the process.Microfluidic chips and reactors can be simple or instrumented (electrodes, sensors, optics, pumps ...), the tendency being to the complexity of tools, integrating more and more instruments without being accompanied by an increase in price. When an optical integration is performed, it is called opto-microfluidics.The proposed work will be to build a prototype device with a dual purpose:- Improved resolution of microfluidic circuits by using new high-resolution 2D and 3D laser photo-labeling technologies- Push the integration by implanting on the same chip, both the microfluidic circuit and an integrated optical component., La microfluidique est l’ensemble de technologies permettant la manipulation et la caractérisation de fluides à des échelles micrométriques ou nanométriques. Elle peut être considérée à la fois comme une science visant à l’étude du comportement des fluides à l’intérieur de ces micro-canaux, et une technologie permettant la fabrication et l’utilisation de dispositifs microfluidiques. Ces dispositifs sont constitués d’une surface plane sur laquelle des capillaires et des chambres de réactions sont formés par photolithographie, moulage ou emboutissage. Des liquides en volumes micrométriques ou nanométriques sont ensuite insérés dans ces capillaires où ils sont déplacés, fractionnés, séparés ou mélangés pour obtenir des réactions chimiques. L’intérêt de travailler avec des volumes micrométriques, outre l’économie de moyens utilisés, réside dans l’accélération et l’automatisation du processus.Les puces et réacteurs microfluidiques peuvent être simples ou instrumentés (électrodes, capteurs, optiques, pompes…), la tendance étant à la complexification des outils, intégrant de plus en plus d’instruments sans pour autant être accompagnée d’une augmentation du prix. Lorsqu'une intégration optique est effectuée, on parle d'opto-microfluidique.Le travail proposé sera de construire un prototype de dispositif avec un double objectif :-Amélioration de la résolution des circuits de microfluidique par utilisation des nouvelles technologies de photoinscription Laser 2D et 3D haute résolution-Pousser l'intégration en implantant sur la même puce, à la fois le circuit microfluidique et un composant optique intégré.

Blood is a dense suspension of red blood cells (RBCs, about 50% in volume) which are highly deformable cells whose function is oxygen transport from lungs to organs. This gas exchange function in organs involves flow in a dense and ramified capillary network where several coupled phenomena lead to a complex traffic flow (organisation of RBCs in flow, rheology, separation at bifurcations). An essential parameter of microcirculation is the transit time of RBCs in an organ, that can be a limitation to diffusion and disponibility of oxygen and lead to non-optimal desaturation before leaving the microvascular network to reach the veinous system. Depending on mechanical properties of RBCs that can be modified by pathologies, and their en concentration, their transit time can vary in large proportions, and also be quite dispersed around the mean value for the same sample : some RBCs are faster than others. The mechanisms involved are the rheology of blood (the apparent viscosity varies with confinement in capillaries and RBC rigidity), and the hydrodynamic migration dispersion of RBCs due to interactions between cells and with vessel walls. This phenomenon can be qualitatively related to the well known phenomenon of Taylor dispersion of a solute in a channel and is also known for colloidal suspensions.Numerical simulations in the host team have revealed that the dispersion of average transit velocities of RBCs in a microcirculatory network was very sensitive to the mechanical properties of cells, as well as their transverse spatial dispersion in the network. This thesis proposes to explore several aspects of RBC dispersion in different model situations. The first chapter will be dedicated to the study of the transverse migration of RBCs from the walls towards the center of the canal in a very diluted medium, in fact this phenomenon plays a very important role in the establishment of a depletion layer at the walls. The second chapter will be dedicated to the study of structuration dynamics observed in flows, the idea is to measure the evolution of the concentration profile of RBCs along a rectilinear canal after a T intersection. chapter will focus on the evolution of a bolus of RBCs in a rectilinear pseudo-2D channel, it dynamic to observe the influence of the mechanical properties of red blood cells and concentration on the dispersion of transit time.; Le sang est une suspension dense en globules rouges (GR, environ 50% du volume) qui sont des cellules très déformables, leur principal fonction est le transport de l'oxygène des poumons vers les organes. Cet échange gazeux dans les organes fait intervenir un réseau ramifié de capillaires sanguins où de nombreux phénomènes couplés créent un écoulement complexe (organisation des globules rouges dans l'écoulement, rhéologie, séparation de l'écoulement aux intersections). Un paramètre essentiel de la microcirculation est le temps de transit des GRs dans un organe, ce temps de transit est une limitation à la diffusion et à la disponibilité en oxygène et peut conduire à une désaturation non-optimal avant de quitter le réseau microcirculatoire pour rejoindre le système veineux. Suivant les propriétés mécaniques des GRs qui peuvent être modifiés par des pathologies et leur concentration, leur temps de transit peut varier dans de larges proportions, et peut ainsi être très dispersé autour de la valeur moyenne pour le même échantillon : certains GRs sont plus rapides que d'autres. Les mécanismes en jeu font intervenir la rhéologie du sang (la viscosité apparente varie en fonction du confinement des capillaires, de la rigidité des globules rouges) et la migration hydrodynamique des globules rouges due à l'interaction entre les GRs et les parois du vaisseaux. Ce phénomène de dispersion peut être qualitativement relié au phénomène connu de la dispersion de Taylor d'une solution dans un canal et est aussi connu dans le cas des suspensions colloïdales.Des simulations numériques dans l'équipe d'accueil ont montré que la dispersion moyenne de la vitesse de transit des GRs dans un réseau microcirculatoire était très sensible aux propriétés mécaniques des GRs et à leur dispersion transversale dans le réseau. Cette thèse propose ainsi d'explorer plusieurs aspects de la dispersion des globules rouges dans différentes situations modèles. Le premier chapitre sera dédié à l'étude de la migration transversale des globules rouges des parois vers le centre du canal en milieu très dilué, en effet ce phénomène joue un rôle très important dans la mise en place d'une couche de déplétion au niveau des parois. Le second chapitre sera dédié à l'étude de la dynamique de structuration observé dans les écoulements, l'idée est de mesure l'évolution du profil de concentration des globules rouges le long d'un canal rectiligne après une intersection en T. Le dernier chapitre s'intéressera à l'évolution d'un bolus de globules rouges dans un canal pseudo-2D rectiligne, ça dynamique permettre d’observer l'influence des propriétés mécaniques des globules rouges et de la concentration sur la dispersion des temps de transit.

Blood is a dense suspension of red blood cells (RBCs, about 50% in volume) which are highly deformable cells whose function is oxygen transport from lungs to organs. This gas exchange function in organs involves flow in a dense and ramified capillary network where several coupled phenomena lead to a complex traffic flow (organisation of RBCs in flow, rheology, separation at bifurcations). An essential parameter of microcirculation is the transit time of RBCs in an organ, that can be a limitation to diffusion and disponibility of oxygen and lead to non-optimal desaturation before leaving the microvascular network to reach the veinous system. Depending on mechanical properties of RBCs that can be modified by pathologies, and their en concentration, their transit time can vary in large proportions, and also be quite dispersed around the mean value for the same sample : some RBCs are faster than others. The mechanisms involved are the rheology of blood (the apparent viscosity varies with confinement in capillaries and RBC rigidity), and the hydrodynamic migration dispersion of RBCs due to interactions between cells and with vessel walls. This phenomenon can be qualitatively related to the well known phenomenon of Taylor dispersion of a solute in a channel and is also known for colloidal suspensions.Numerical simulations in the host team have revealed that the dispersion of average transit velocities of RBCs in a microcirculatory network was very sensitive to the mechanical properties of cells, as well as their transverse spatial dispersion in the network. This thesis proposes to explore several aspects of RBC dispersion in different model situations. The first chapter will be dedicated to the study of the transverse migration of RBCs from the walls towards the center of the canal in a very diluted medium, in fact this phenomenon plays a very important role in the establishment of a depletion layer at the walls. The second chapter will be dedicated to the study of structuration dynamics observed in flows, the idea is to measure the evolution of the concentration profile of RBCs along a rectilinear canal after a T intersection. chapter will focus on the evolution of a bolus of RBCs in a rectilinear pseudo-2D channel, it dynamic to observe the influence of the mechanical properties of red blood cells and concentration on the dispersion of transit time., Le sang est une suspension dense en globules rouges (GR, environ 50% du volume) qui sont des cellules très déformables, leur principal fonction est le transport de l'oxygène des poumons vers les organes. Cet échange gazeux dans les organes fait intervenir un réseau ramifié de capillaires sanguins où de nombreux phénomènes couplés créent un écoulement complexe (organisation des globules rouges dans l'écoulement, rhéologie, séparation de l'écoulement aux intersections). Un paramètre essentiel de la microcirculation est le temps de transit des GRs dans un organe, ce temps de transit est une limitation à la diffusion et à la disponibilité en oxygène et peut conduire à une désaturation non-optimal avant de quitter le réseau microcirculatoire pour rejoindre le système veineux. Suivant les propriétés mécaniques des GRs qui peuvent être modifiés par des pathologies et leur concentration, leur temps de transit peut varier dans de larges proportions, et peut ainsi être très dispersé autour de la valeur moyenne pour le même échantillon : certains GRs sont plus rapides que d'autres. Les mécanismes en jeu font intervenir la rhéologie du sang (la viscosité apparente varie en fonction du confinement des capillaires, de la rigidité des globules rouges) et la migration hydrodynamique des globules rouges due à l'interaction entre les GRs et les parois du vaisseaux. Ce phénomène de dispersion peut être qualitativement relié au phénomène connu de la dispersion de Taylor d'une solution dans un canal et est aussi connu dans le cas des suspensions colloïdales.Des simulations numériques dans l'équipe d'accueil ont montré que la dispersion moyenne de la vitesse de transit des GRs dans un réseau microcirculatoire était très sensible aux propriétés mécaniques des GRs et à leur dispersion transversale dans le réseau. Cette thèse propose ainsi d'explorer plusieurs aspects de la dispersion des globules rouges dans différentes situations modèles. Le premier chapitre sera dédié à l'étude de la migration transversale des globules rouges des parois vers le centre du canal en milieu très dilué, en effet ce phénomène joue un rôle très important dans la mise en place d'une couche de déplétion au niveau des parois. Le second chapitre sera dédié à l'étude de la dynamique de structuration observé dans les écoulements, l'idée est de mesure l'évolution du profil de concentration des globules rouges le long d'un canal rectiligne après une intersection en T. Le dernier chapitre s'intéressera à l'évolution d'un bolus de globules rouges dans un canal pseudo-2D rectiligne, ça dynamique permettre d’observer l'influence des propriétés mécaniques des globules rouges et de la concentration sur la dispersion des temps de transit.

The ever-increasing exchange of people and goods these last decades creates pandemic risks that should be prevented by containing the hazardous antigens in the region of the outbreak. Therefore, the rapid detection of a biological entity is critical to tackle this issue and others like environment contamination and bioterrorism.Consequently, a multidisciplinary project between Sorbonne Université in Paris and RWTH University in Aachen has been conducted to create a completely integrated lab-on-a-chip (LOC) for easy, rapid and cost-effective immunoassays.The pathogen sensing system is composed of a microfluidic channel surrounded by planar PCB microcoils, which are responsible for the emission and the detection of magnetic fields. This system allows the detection of magnetic nanoparticles (MNP) used for immunoassays in a “sandwich” antigen-antibody configuration. Using microfluidics allows us to test very small volume samples quickly. We successfully tested this device with different concentrations of nanoparticles, different microfluidic channel layouts, different types of nanoparticles and different materials for the microfluidic channel. Using the frequency mixing magnetic detection technique, a LOD of 15 ng/µL for 20 nm core sized MNP has been achieved with a sample volume of 14 µL corresponding to a drop of blood. Antibody coating was also achieved on a Poly(methyl methacrylate) (PMMA) surface which is a more suitable material than the classically used polydimethylsiloxane (PDMS) for our application. In this thesis, emphasis is put on the improvement of the device prototype and the surface functionalization of the microfluidic channel with antibodies.; L’augmentation continue de la circulation des populations et des biens ces dernières décennies accentue les risques de pandémie due à un mauvais confinement des antigènes dangereux à leur région d’apparition. Il est donc crucial de développer une technique rapide de détection de pathogène pour prévenir ces risques. Un projet multidisciplinaire a donc était mis en place entre Sorbonne Université à Paris et RWTH University à Jülich pour le développement d’un dispositif laboratoire-sur-puce intégré pour effectuer des tests immunologiques rapides, faciles et abordables. Ce dispositif de détection de pathogène est composé d’un canal microfluidique entouré de microbobines planaires en circuit imprimé responsables de l’émission et de la détection de champs magnétiques. Ainsi des nanoparticules magnétiques peuvent être détectées et quantifiées puis être corrélées à la présence du pathogène, en tant que marqueurs du test immunologique. Habituellement, l’étape de détection de la présence du pathogène dans un échantillon se fait grâce à un signal fluorescent ou électrochimique qui sont des techniques longues et avec une sensibilité limitée. En conséquence, les tests immunologiques magnétiques semblent être une alternative intéressante. L’utilisation de canaux microfluidiques permet de n’utiliser qu’une très petite quantité d’échantillon pour effectuer un test. Pendant ce doctorat, l’objectif principal a été d’améliorer le prototype du dispositif et la fonctionnalisation de surface du canal microfluidique avec des anticorps.

The « in vitro » tests are requested for the establishment of nearly 70% of diagnoses and their development for on-site detection therefore appears to be a major public health issue. In this context, the ASSURED criterion (« Affordable, Sensitive, Specific, User-friendly, User-friendly, Rapid and robust, Equipment-free and Deliverable to end-users ») has been defined by the World Health Organization to encourage researchers to develop diagnostic tools called « Point of Care » that can be widely used.With the rise of microfluidics, the range of possible devices has broadened and integrated biosensors have been developed, transforming the biological signal from a biomarker recognition by a biological probe into an optical, electrochemical, mechanical or magnetic signal. As biological environments are largely non-magnetic, magnetic sensors are not affected by the use of complex biological matrices as are optical or electrochemical measurements. In addition, these sensors are easy to produce and can be integrated into microfluidic chips. The objectives of this thesis are to design a diagnostic tool in vitro based on giant magnetoresistance sensors and to test its performance. Its development was carried out using a murine myeloma cell line. The cells are specifically labeled by magnetic particles functionalized by antibodies directed against one of their antigens and flown in the microfluidic channel above the sensors. This dynamic detection method allows magnetic objects to be counted one by one. The challenge is to distinguish the signals coming from the labeled cells from those of the beads remaining in solution. In order to address this problem, two labs on chips are developed in this thesis. In a first device, an inner layer of a few micrometers separates the sensors from the channel which allows to suppress the signals of the isolated beads. The second device has sensors both above and below the microfluidic channel and can measure the number of beads corresponding to each doubly detected object which can thus be identified (aggregates or biological objects)., Les tests « in vitro » permettent d’établir près de 70% des diagnostics et leur développement pour une utilisation au plus près du patient apparaît donc comme un enjeu majeur de santé publique. Dans ce contexte, les critères ASSURED (« Affordable, Sensitive, Specific, User-friendly, Rapid and robust, Equipment-free and Deliverable to end-users ») a été défini par l’organisation mondiale de la santé pour que les chercheurs développent des outils de diagnostic dits « Point of Care » utilisables par le plus grand nombre. Avec l’essor de la microfluidique, la gamme des dispositifs possibles s'est élargie et des biocapteurs intégrés ont été développés, transformant le signal biologique d’une reconnaissance d’un biomarqueur par une sonde biologique en un signal optique, électrochimique, mécanique ou encore magnétique. Comme les milieux biologiques sont en grande majorité amagnétiques, les capteurs magnétiques ne sont pas affectés par l’utilisation de matrices biologiques complexes comme peuvent l’être les mesures optiques ou électrochimiques. De plus ces capteurs sont faciles à produire et intégrables dans les puces microfluidiques. Cette thèse a pour objectifs de concevoir un outil de diagnostic in vitro basé sur des capteurs à magnétorésistance géante et de tester ses performances. Cette étude a été réalisée en utilisant une lignée cellulaire de myélome murin. Les cellules sont marquées spécifiquement par des particules magnétiques fonctionnalisées par des anticorps dirigés contre un de leurs antigènes et sont passées dans le canal microfluidique au-dessus des capteurs. Cette méthode de détection dynamique permet de compter les objets magnétiques un par un. La difficulté réside dans la distinction des signaux spécifiques provenant des cellules marquées des signaux faux positifs induits par les billes restant en solution. Deux types de dispositifs ont été conçus dans cette thèse pour lever ce verrou. Le premier possède une couche inerte de séparation de quelques micromètres entre les capteurs GMR et le canal qui permet de supprimer les signaux des billes isolées. Le second dispositif, qui a des capteurs à la fois au-dessus et au-dessous du canal microfluidique, permet une double détection simultanée de chaque objet magnétique. Il est ainsi possible de connaître le nombre de billes qui les marquent et de déterminer s’il s’agit d’un agrégat de billes ou d’un objet biologique.

Common methods of cancer diagnosis are invasive, expensive and rarely allow early cancer diagnosis. The discovery of cancer biomarkers present in the early stage of the disease, well before the development of symptoms make them interesting candidate for early cancer diagnosis. These markers are still not widely used, particularly because of their low concentration in healthy patient samples, but also because of their lack of specificity taken individually. Nowadays, clinical analyses for the diagnosis are performed by dividing samples and separate measurements of the concentration of the various clinically relevant analytes. In this context, the development of devices for the simultaneous detection of these markers in biological fluids is a real challenge. In addition, the miniaturization of measurement devices and their integration on a chip opens the way to automated analysis units that can be transported to the bedside and meet the needs of hospitals for fast, low-volume, low-cost, high throughput, sensitive and specific analyses. The objective of this thesis is to develop methods for the localized immobilization of selective ligands based on molecular recognition (aptamers) on different microsystem materials for the simultaneous detection of several biomarkers. Aptamers are a new classe of synthetic DNA/RNA molecules, known for their high affinity and excellent specificity for a selected target or family of targets. They also have the advantage of being easy to handle at room temperature and easily regenerated after denaturation. Despite these advantages, very few publications have been published on aptamer-based technologies for the selective extraction and analysis of biomarker traces in microfluidic devices. The creation of such localized zones ensures the overconcentration of target analytes to improve detection performance.; Les méthodes habituelles de diagnostic du cancer sont invasives et coûteuses et permettent rarement de dépister la maladie à un stade précoce. L'apparition de biomarqueurs de cancer a été mise en évidence à un stade précoce de la maladie, bien avant le développement des symptômes. Ces marqueurs sont encore peu utilisés, notamment du fait de leur présence en faible quantité chez des individus sains, mais aussi de leur manque de spécificité pris individuellement. De nos jours, les analyses cliniques pour le diagnostic ou le suivi de certains paramètres sont effectués par division des prélèvements et mesures séparées de la concentration des différents analytes cliniquement pertinents. Dans ce contexte, le développement de dispositifs permettant la détection simultanée de ces marqueurs dans les fluides biologiques représente un véritable défi. Par ailleurs, la miniaturisation des dispositifs de mesure et leur intégration sur puce ouvrent la voie vers des unités d'analyse automatisables, transportables au chevet des patients et répondant aux besoins des milieux hospitaliers en termes d'analyses rapides, sur de faibles volumes d'échantillons, à bas coût et haut débit, sensibles et spécifiques. L’objectif de cette thèse est de développer des méthodes permettant l'immobilisation localisée de ligands sélectifs basés sur la reconnaissance moléculaire (aptamères) sur différents matériaux de microsystèmes pour la détection simultanée de plusieurs biomarqueurs. Les aptamères sont une nouvelle classe de molécules d'ADN/ARN synthétiques, reconnus pour leur haute affinité et leur excellente spécificité pour une cible sélectionnée. Ils présentent de plus l'intérêt d'être manipulables à température ambiante, et facilement regénérable après dénaturation. Malgré ces avantages, très peu de publications portent sur les technologies à base d'aptamères pour l'extraction sélective et l'analyse de traces de biomarqueurs en dispositif microfluidique. La création de telles zones de confinement permet d'assurer la surconcentration des analytes cibles pour une meilleure performance de la détection.

Common methods of cancer diagnosis are invasive, expensive and rarely allow early cancer diagnosis. The discovery of cancer biomarkers present in the early stage of the disease, well before the development of symptoms make them interesting candidate for early cancer diagnosis. These markers are still not widely used, particularly because of their low concentration in healthy patient samples, but also because of their lack of specificity taken individually. Nowadays, clinical analyses for the diagnosis are performed by dividing samples and separate measurements of the concentration of the various clinically relevant analytes. In this context, the development of devices for the simultaneous detection of these markers in biological fluids is a real challenge. In addition, the miniaturization of measurement devices and their integration on a chip opens the way to automated analysis units that can be transported to the bedside and meet the needs of hospitals for fast, low-volume, low-cost, high throughput, sensitive and specific analyses. The objective of this thesis is to develop methods for the localized immobilization of selective ligands based on molecular recognition (aptamers) on different microsystem materials for the simultaneous detection of several biomarkers. Aptamers are a new classe of synthetic DNA/RNA molecules, known for their high affinity and excellent specificity for a selected target or family of targets. They also have the advantage of being easy to handle at room temperature and easily regenerated after denaturation. Despite these advantages, very few publications have been published on aptamer-based technologies for the selective extraction and analysis of biomarker traces in microfluidic devices. The creation of such localized zones ensures the overconcentration of target analytes to improve detection performance., Les méthodes habituelles de diagnostic du cancer sont invasives et coûteuses et permettent rarement de dépister la maladie à un stade précoce. L'apparition de biomarqueurs de cancer a été mise en évidence à un stade précoce de la maladie, bien avant le développement des symptômes. Ces marqueurs sont encore peu utilisés, notamment du fait de leur présence en faible quantité chez des individus sains, mais aussi de leur manque de spécificité pris individuellement. De nos jours, les analyses cliniques pour le diagnostic ou le suivi de certains paramètres sont effectués par division des prélèvements et mesures séparées de la concentration des différents analytes cliniquement pertinents. Dans ce contexte, le développement de dispositifs permettant la détection simultanée de ces marqueurs dans les fluides biologiques représente un véritable défi. Par ailleurs, la miniaturisation des dispositifs de mesure et leur intégration sur puce ouvrent la voie vers des unités d'analyse automatisables, transportables au chevet des patients et répondant aux besoins des milieux hospitaliers en termes d'analyses rapides, sur de faibles volumes d'échantillons, à bas coût et haut débit, sensibles et spécifiques. L’objectif de cette thèse est de développer des méthodes permettant l'immobilisation localisée de ligands sélectifs basés sur la reconnaissance moléculaire (aptamères) sur différents matériaux de microsystèmes pour la détection simultanée de plusieurs biomarqueurs. Les aptamères sont une nouvelle classe de molécules d'ADN/ARN synthétiques, reconnus pour leur haute affinité et leur excellente spécificité pour une cible sélectionnée. Ils présentent de plus l'intérêt d'être manipulables à température ambiante, et facilement regénérable après dénaturation. Malgré ces avantages, très peu de publications portent sur les technologies à base d'aptamères pour l'extraction sélective et l'analyse de traces de biomarqueurs en dispositif microfluidique. La création de telles zones de confinement permet d'assurer la surconcentration des analytes cibles pour une meilleure performance de la détection.

Dealing with discrete volumes of fluid in microfluidics in the health field has driven the researchers to look for ground-breakingtechnologies. A possibility is to work with fluidic chambers definedby a hyperelastic membrane pneumatically activated. In this article, a microfluidic method to characterizethe deformation of such a membrane is presented. The results from two hyperelastic models, namely Yeoh and Mooney-Rivlin, are compared to experimental results. This comparison is based on the different valuesof the parameters used within themodels that the scientific literature provides., La nécessité de manipuler des volumes discrets de liquide en microfluidique dans le domaine de la santé, conduit les chercheurs à trouver des technologies innovantes. Une possibilité est de travailler avec des chambres fluidiques limitées par une membrane hyperélastique, activée pneumatiquement. Dans cet article, une méthode microfluidique pour caractériser la déformation d'une telle membrane est présentée. Les résultats issus de deux modèles hyperélastiques, les modèles Yeoh et Mooney-Rivlin, sont confrontés à des résultats expérimentaux qui ont été obtenus. Cette comparaison repose sur les différentes valeurs des paramètres utilisés dans ces modèles que la littérature scientifique propose.

The work in this thesis is devoted to the development of an autarkic device for real-time monitoring of amphetamines in sewage. It has been developed within the EU project Micromole to help Law Enforcement Agents (LEA) to solve forensic scenarios related to the production of amphetamines and amphetamine-type stimulants (ATS). It is composed of three main sections. The first section is devoted to the development of two generation of potentiometric sensors for the detection of amphetamines using first, the commercial ionophore dibenzo-18-crown-6 ether, then the synthesized ion-pair complex [amphetamine-H]+[3,3’-Co(1,2-C2B9H11)2]- as active sites for amphetamine recognition. The second section is dedicated to the fabrication of a passive microfluidic system integrated into a Lab-on-a-Chip to protect the sensor from the harsh environment through the control of the sample amount reaching the sensor. For this purpose, the microfluidic system formed a combination of passive micromixers, microfilters and microchannels. The final section was devoted to the development of an autarkic sample storage unit to help LEA to store spontaneous samples during forensic investigations related to the clandestine production of amphetamines in illegal laboratories; Ce travail de thèse est consacré au développement d’un dispositif autarcique pour le contrôle des amphétamines dans les égouts. Il a été conçu dans le cadre du projet européen MicroMole pour aider la police scientifique à résoudre des scènes concernant la localisation des laboratoires clandestins d’amphétamines et produits dérivés. Il est composé de trois volets : le premier volet est dédié au développement de deux générations de capteurs potentiométriques sélectifs à l’amphétamine en utilisant le ionophore commercial dibenzo-18-crown-6 éther dans un premier temps puis le ion-pair complexe [amphetamine-H]+[3,3’-Co(1,2-C2B9H11)2]- synthétisé comme sites actifs pour la reconnaissance sélective d’amphétamine. Le deuxième volet est consacré au développement d’un système microfluidique passif permettant de contrôler le flux d’échantillon arrivant à la partie sensible du capteur en utilisant des micro-filtres et micro-mélangeurs. Le troisième et dernier volet est dédié à la conception et fabrication d’un système autonome d’échantillonnage miniaturisé pour le stockage des échantillons dans les égouts lors des enquêtes menées par la police scientifique correspondant à la localisation de laboratoires clandestins d’amphétamines

National audience; Au sein des tissus vivants, les cellules forment une communauté organisée et en interaction dans d’une matrice extra cellulaire. De ce microenvironnement cellulaire, naissent les mécanismes responsables de l’homéostasie ou de la dégénérescence des tissus qui sont étroitement liés à la topologie ainsi qu’à la distribution spatiale des propriétés physico-chimiques et biologiques. Ainsi, la fabrication de modèles mimétiques permettant de reproduire, en trois dimensions, les paramètres physiques et chimiques essentiels du microenvironnement, est devenu un enjeu majeur en biologie et en médecine. Dans cet objectif, les technologies microfluidiques et de bioimpression apparaissent comme des outils particulièrement performants pour créer des modèles de microenvironnements propices à la manipulation de liquides biologiques, à leur traitement à des fins d’analyse ou d’étude de la prolifération cellulaire. Cette soutenance sera dédiée, dans un premier temps, à une présentation des projets de recherches menés au sein de l’institut Curie puis au sein du LAAS CNRS autour du développement de de concepts microfluidiques pour la réalisation de dispositifs miniaturisés d’analyse (pré-concentration, capture et analyse de biomarqueurs et de cellules) ou de diagnostic cellulaire (capture de cellules tumorales circulantes, analyse génétique). Dans un deuxième temps seront présentées les évolutions de ces activités de recherche vers le développement de modèles standardisés de microenvironnements cellulaires sur la base de technologies d’impression 3D et de bioimpression.

National audience; Au sein des tissus vivants, les cellules forment une communauté organisée et en interaction dans d’une matrice extra cellulaire. De ce microenvironnement cellulaire, naissent les mécanismes responsables de l’homéostasie ou de la dégénérescence des tissus qui sont étroitement liés à la topologie ainsi qu’à la distribution spatiale des propriétés physico-chimiques et biologiques. Ainsi, la fabrication de modèles mimétiques permettant de reproduire, en trois dimensions, les paramètres physiques et chimiques essentiels du microenvironnement, est devenu un enjeu majeur en biologie et en médecine. Dans cet objectif, les technologies microfluidiques et de bioimpression apparaissent comme des outils particulièrement performants pour créer des modèles de microenvironnements propices à la manipulation de liquides biologiques, à leur traitement à des fins d’analyse ou d’étude de la prolifération cellulaire. Cette soutenance sera dédiée, dans un premier temps, à une présentation des projets de recherches menés au sein de l’institut Curie puis au sein du LAAS CNRS autour du développement de de concepts microfluidiques pour la réalisation de dispositifs miniaturisés d’analyse (pré-concentration, capture et analyse de biomarqueurs et de cellules) ou de diagnostic cellulaire (capture de cellules tumorales circulantes, analyse génétique). Dans un deuxième temps seront présentées les évolutions de ces activités de recherche vers le développement de modèles standardisés de microenvironnements cellulaires sur la base de technologies d’impression 3D et de bioimpression.

The work in this thesis is devoted to the development of an autarkic device for real-time monitoring of amphetamines in sewage. It has been developed within the EU project Micromole to help Law Enforcement Agents (LEA) to solve forensic scenarios related to the production of amphetamines and amphetamine-type stimulants (ATS). It is composed of three main sections. The first section is devoted to the development of two generation of potentiometric sensors for the detection of amphetamines using first, the commercial ionophore dibenzo-18-crown-6 ether, then the synthesized ion-pair complex [amphetamine-H]+[3,3’-Co(1,2-C2B9H11)2]- as active sites for amphetamine recognition. The second section is dedicated to the fabrication of a passive microfluidic system integrated into a Lab-on-a-Chip to protect the sensor from the harsh environment through the control of the sample amount reaching the sensor. For this purpose, the microfluidic system formed a combination of passive micromixers, microfilters and microchannels. The final section was devoted to the development of an autarkic sample storage unit to help LEA to store spontaneous samples during forensic investigations related to the clandestine production of amphetamines in illegal laboratories, Ce travail de thèse est consacré au développement d’un dispositif autarcique pour le contrôle des amphétamines dans les égouts. Il a été conçu dans le cadre du projet européen MicroMole pour aider la police scientifique à résoudre des scènes concernant la localisation des laboratoires clandestins d’amphétamines et produits dérivés. Il est composé de trois volets : le premier volet est dédié au développement de deux générations de capteurs potentiométriques sélectifs à l’amphétamine en utilisant le ionophore commercial dibenzo-18-crown-6 éther dans un premier temps puis le ion-pair complexe [amphetamine-H]+[3,3’-Co(1,2-C2B9H11)2]- synthétisé comme sites actifs pour la reconnaissance sélective d’amphétamine. Le deuxième volet est consacré au développement d’un système microfluidique passif permettant de contrôler le flux d’échantillon arrivant à la partie sensible du capteur en utilisant des micro-filtres et micro-mélangeurs. Le troisième et dernier volet est dédié à la conception et fabrication d’un système autonome d’échantillonnage miniaturisé pour le stockage des échantillons dans les égouts lors des enquêtes menées par la police scientifique correspondant à la localisation de laboratoires clandestins d’amphétamines

Lab on a chip devices aim at integrating functions routinely used in medical laboratories into miniaturized chips to target health care applications with a promising impact foreseen in point-of-care testing. Porous membranes are of great interest for on-chip sample preparation and analysis since they enable size- and charge-based molecule separation, but also molecule pre-concentration by ion concentration polarization. Out of the various materials available to constitute porous membranes, porous silicon offers many advantages, such as tunable pore properties, large porosity, convenient surface chemistry and unique optical properties. Porous silicon membranes are usually integrated into fluidic chips by sandwiching fabricated membranes between two layers bearing inlet and outlet microchannels, resulting in three-dimensional fluidic networks that lack the simplicity of operation and direct observation accessibility of planar microfluidic devices. To tackle this constraint, we have developed two methods for the fabrication of lateral porous silicon membranes and their monolithic integration into planar microfluidics. The first method is based on the use of locally patterned electrodes to guide pore formation horizontally within the membrane in combination with silicon-on-insulator (SOI) substrates to spatially localize the porous silicon within the channel depth. The second method relies on the fact that the formation of porous silicon by anodization is highly dependent on the dopant type and concentration. While we still use electrodes patterned on the membrane sidewalls to inject current for anodization, the doping via implantation enables to confine the membrane analogously to but instead of the SOI buried oxide box. Membranes with lateral pores were successfully fabricated by these two methods and their functionality was demonstrated by conducting filtering experiments. In addition to sample filtration, we have achieved electrokinetic pre-concentration and interferometric sensing using the fabricated membranes. The ion selectivity of the microporous membrane enables to carry out sample pre-concentration by ion concentration polarization with concentration factors that can reach more than 103 in 10 min by applying less than 9 V across the membrane[TL1]. These results are comparable to what has already been reported in the literature using e.g. nanochannels with much lower power consumption. Finally, we were able to detect a change of the porous silicon refractive index through the shift of interference spectrum upon loading different liquids into the membrane. The work presented in this dissertation constitutes the first step in demonstrating the interest of porous silicon for all-in-one sample preparation and biosensing into planar lab on a chip.; Les laboratoires sur puce visent à miniaturiser et à intégrer les fonctions couramment utilisées dans les laboratoires d'analyse afin de cibler des applications en santé avec un impact prometteur sur le diagnostic médical au lit du patient. Les membranes poreuses sont d'un grand intérêt pour la préparation et l'analyse d'échantillon sur puce car elles permettent la séparation par taille/charge de molécules, mais également leur pré-concentration. Parmi les matériaux disponibles pour constituer des membranes poreuses, le silicium poreux présente de nombreux avantages tels que le contrôle précis de la taille des pores et de la porosité, une chimie de surface pratique et des propriétés optiques uniques. Les membranes de silicium poreux sont généralement intégrées dans des puces fluidiques en les montant entre deux couches comportant des micro-canaux, formant ainsi des réseaux fluidiques à trois dimensions, peu pratiques et peu adaptés à l'observation directe par microscopie. Dans ces travaux de thèse, nous avons développé deux méthodes de fabrication de membranes de silicium à pores latéraux qui permettent leur intégration monolithique dans des systèmes microfluidiques planaires. Le premier procédé est fondé sur l'utilisation d'électrodes localement structurées afin de guider la formation de pores de manière horizontale, en combinaison avec des substrats type silicium sur isolant (SOI) pour localiser spatialement la formation de silicium poreux dans la profondeur du canal. La deuxième méthode repose sur le fait que la formation de silicium poreux par anodisation est fortement dépendante du type de dopant et de sa concentration. Bien que nous utilisons encore le même type d'électrodes structurées sur les parois latérales de la membrane pour injecter le courant lors de l'anodisation, le dopage par implantation permet de confiner la membrane, de façon analogue mais à la place de l'oxyde enterré du SOI. Des membranes à pores latéraux ont été fabriquées par ces deux méthodes et leur fonctionnalité a été démontrée en réalisant des expériences de filtrage. En plus de la filtration d'échantillon, les membranes ont été utilisées pour étudier la possibilité d'effectuer de la pré-concentration électrocinétique et de la détection interférométrique. La sélectivité ionique des membranes microporeuse permet la pré-concentration moléculaire avec des facteurs de concentration pouvant atteindre jusqu'à 103 en 10 min en appliquant moins de 9 V. Ces résultats sont comparables à ceux rapportés dans la littérature à l'aide par exemple de nanocanaux avec une consommation d'énergie beaucoup plus faible. Enfin, nous avons pu détecter une variation de l'indice de réfraction du silicium poreux par le décalage du spectre d'interférence lors du chargement de différents liquides injectés dans les membranes. Le travail présenté dans cette thèse constitue la première étape dans la démonstration de l'intérêt du silicium poreux pour la préparation d'échantillon et la biodétection dans des laboratoires sur puce planaires.

The charges at liquid/solid interfaces are a key element for both understanding and exploiting the electrokinetic phenomena in micro/nanofluidics. The manuscript of my Ph.D thesis is dedicated to these phenomena, which is divided into three main parts: Above all, a simple overview of charges at the liquid/solid interface is proposed. Then, several common methods for measuring the zeta potential at the liquid/solid interface are described. Next, various effective methods to preconcentrate the biological molecules is presented with the help of the surface charges. Secondly, the streaming current, which is a standard method to measure the zeta potential in our laboratory, is detailed. It contains the upgrade of the experimental setup from the previous version and the development of new protocols, which improve dramatically the stabilization and the reproducibility of the measurements. In addition, an original biological sensor is briefly presented based on these advancements. Lastly, in the final part, we describe a method which is primitively utilised in the fabrication of Micro-Nano-Micro fluidic system. Based on this system, some favorable preconcentration results is obtained. Moreover, numerical simulations are presented to prove the originality of our work, Les charges à l'interface liquide/solide sont un élément originel majeur des phénomènes électrocinétiques observés en micro/nanofluidique. Elles sont donc la colonne vertébrale de mon manuscrit de thèse, qui se décompose en trois parties : Dans la première partie, un rappel des concepts de base sur les interfaces liquides/solides est proposé au lecteur. Il est suivi d'une description des différentes méthodes expérimentales permettant de mesurer le potentiel zeta de couples solide/électrolyte, puis d'une présentation des travaux de la littérature exploitant les charges aux interfaces pour la préconcentration de molécules biologiques dans des systèmes Micro-Nano-Micro (MNM) fluidiques. Ensuite, une deuxième partie est consacrée à la mesure du potentiel zeta par la méthode des courants d'écoulement. Nous y présentons l'amélioration du banc expérimental issu des travaux antérieurs à ma thèse, ainsi que le développement de nouveaux protocoles de préparation des surfaces permettant de rationaliser et de stabiliser les mesures. Une application à un détecteur original de molécules biologiques clos cette deuxième partie. Enfin, la troisième et dernière partie s'intéresse à la préconcentration de molécules biologiques. Une méthode originale de fabrication des dispositifs MNM et les résultats de préconcentration obtenus, très encourageants, sont décrits. Des premiers modèles numériques et phénoménologiques sont proposés, qui mettent en avant l'originalité de notre travail

When surface acoustic waves radiate in nearby fluids, they trigger two nonlinear effects: acoustic radiation pressure and acoustic streaming. These two effects find numerous applications for digital microfluidics, contactless manipulation and biological cell sorting. Nonetheless, these systems face two limitations. On the one hand, each application requires a specific acoustic wave: there is no multifunction device so far. On the other hand, search for functionalities offered by simple surface acoustic waves (plane and focused waves) has failed to provide a selective tweezers able to manipulate individual particles or cells independently of their neighbors. In the first part of this thesis, we develop two methods to synthesize complex surface acoustic wave fields. The first one employs an array of 32 interdigitated transducers controlled by the inverse filter to generate arbitrary fields on demand. The second method solves an inverse problem to design a holographic transducer to generate a predefined field. In the second part of the thesis, we use the inverse filter to (i) implement a multifunction lab on a chip and (ii) investigate the potentialities of a special type of surface acoustic waves called swirling surface waves. These waves enable a selective and contactless manipulation of microscopic objects. We conclude the thesis by integrating a holographic acoustical vortex transducer on a microscope in order to selectively manipulate biological cells without contact.; Lorsque des ondes acoustiques de surface rayonnent dans des fluides, elles provoquent deux effets non linéaires : la pression de radiation et le streaming acoustique. Ces deux effets ont trouvé un grand nombre d’applications pour la microfluidique digitale, la manipulation sans contact et le tri cellulaire. Néanmoins, ces systèmes se heurtent à deux limites. D’une part, chaque application requiert une onde acoustique spécifique : il n’existe pas de dispositif multifonction à ce jour. D’autre part, l’exploration des fonctionnalités offertes par les ondes de surface les plus simples (ondes planes, ondes focalisées) n’a pas permis de réaliser des pinces sélectives permettant de manipuler individuellement des particules ou cellules indépendamment de leurs voisines.Dans une première partie de la thèse, nous développons deux méthodologies pour synthétiser des champs complexes d’ondes de surface. La première méthode utilise un réseau de 32 peignes interdigités contrôlé par la technique du filtre inverse pour générer des champs sur demande. La seconde résout un problème inverse afin de concevoir un transducteur holographique générant spécifiquement le champ demandé. Dans la seconde partie de la thèse, nous utilisons le filtre inverse pour (i) réaliser un laboratoire sur puce multifonction et (ii) étudier le potentiel d’ondes de surface particulières appelées ondes de surface tourbillonnaires. Ces ondes permettent une manipulation sélective et sans contact d’objets microscopiques. Nous terminons la thèse en équipant un microscope d’un transducteur holographique de vortex acoustiques afin de réaliser une manipulation sélective et sans contact de cellules.

The interest of ultrasounds for media characterization or for actuation when using more power is well known. Nevertheless, the integration of these acoustic functions in silicon based Lab-on-chips requires specific technological developments. The possibility to use high frequency bulk acoustic waves in this kind of systems for characterization or detection has been presented previously in another PhD work. The main objective of this work was to optimize acoustic energy transfer to a microfluidic channel in a frequency range between 500 MHz and 1000 MHz. To do that, the main technological developments achieved among others concern the coating of the guiding mirrors to avoid acoustic mode conversion and ZnO thick films sputtering for the fabrication of piezoelectric transducers. The developed system has been used for particles detection or concentration evaluation. Moreover, a first evaluation of fluids/particles actuation was demonstrated, along with temperature evaluation using ultrasound were achieved in microfluidic channels.; L’intérêt des ultrasons pour la caractérisation de milieux ou pour l’actionnement à plus forte puissance n’est plus à démontrer. L’intégration de fonctions acoustiques substrats de silicium soulève en revanche de nombreux problèmes technologiques. Le travail de thèse présenté fait suite aux premiers développements technologiques qui ont permis la validation du concept de caractérisation acoustique haute fréquence en canal microfluidique. Les principales avancées de ce travail concernent l’optimisation du transfert de l’énergie acoustique dans le canal microfluidique dans une bande de fréquence allant de 500 à 1000 MHz. Des dépôts de couches minces sur les miroirs et le développement de transducteurs en couches épaisses constituent les principales avancées. Une première évaluation de l’actionnement de fluides ou de particules en canal microfluidique est également présentée ainsi qu’une application du système à la mesure de température en canal microfluidique par ultrasons.

A lab on-a-chip is a miniaturized device that integrates onto a single chip different analytical steps (preconcentration, separation, detection...) with minimal sample consumption and short analysis time. They are potentially beneficial in phosphorylated biomarker analysis for which a preconcentration step is necessary because of their low abundance in biological fluids. That's why selective enrichment methods of phosphopeptides have been developed in recent years in particular those based on solid supports like Immobilized Metal Affinity Chromatography (IMAC). Among the solid supports, organic polymer monoliths present practical advantages when used in microchips due to their ease of preparation and in situ polymerization. The aim of this work was to develop a lab-on-a-chip integrating a monolithic support for online IMAC-based preconcentration and electrophoretic separation of phosphopeptides.In the first part, we developed two innovative approaches which allowed us to synthesize, for the first time, an ethylene glycol methacrylate phosphate-co-bisacrylamide (poly (EGMP-co-BAA)) monolith by a photo-driven process in microsystems. The first monolith synthesis approach was developed in glass microchannels using an inverted epifluorescence microscope as UV-irradiation source. The second approach was based on the photochemical properties of a new initiator which allowed the simultaneous synthesis and anchorage of the monolith in native polydimethylsiloxane (PDMS) microchips. A characterization (morphology, permeability, porosity and specific surface area) of (poly (EGMP-co-BAA)) monolith was then performed which demonstrated the potential of this monolith for preconcentration.Then a glass microchip electrophoresis method coupled to a detection by fluorescence was developed to separate a mixture of phosphopeptides fluorescent models differing with the position and number of phosphorylation sites. The phosphopeptides were detected in less than 2 min with excellent resolution (R> 3) and good efficiencies ranging from 11000 to 25000 plates. Finally, an integrated microdevice was developed by combining online preconcentration based on IMAC-Zr4+ and separation/detection of phosphopeptides. The performance of this integrated microdevice to capture and to elute the phosphopeptides was demonstrated and signal enhancement factors (SEF) higher than 340 were obtained. This lab-on-a-chip device opens news perspectives for phosphoproteomic applications and the diagnostic of diseases where the pathophysiological process involves phosphopeptides; Les laboratoires sur puce sont des dispositifs miniaturisés qui offrent la possibilité d'intégrer en ligne toutes les étapes de la chaîne analytique tout en réduisant les volumes d’échantillon et les temps d’analyse. Ainsi, ils constituent potentiellement un outil de diagnostic particulièrement adapté pour l’analyse de biomarqueurs phosphorylés, pour lesquels une préconcentration est nécessaire en raison de leur faible abondance dans les fluides biologiques. C’est pourquoi, de nouvelles méthodes, dédiées à l'enrichissement de phosphopeptides, ont été développées ces dernières années et en particulier celles utilisant des supports solides basées sur la chromatographie d’affinité sur des ions métalliques immobilisés (IMAC). Parmi les supports solides intégrables en microsystème, les monolithes organiques constituent une option privilégiée grâce à la possibilité d’être synthétisés in situ. Le but de ce travail de thèse était donc de développer un laboratoire sur puce intégrant une préconcentration des phosphopeptides sur support monolithique basé sur le principe de l’IMAC et leur séparation électrophorétique en ligne.Dans un premier temps, nous avons développé deux approches innovantes qui ont permis de synthétiser pour la première fois un monolithe à base d’éthylène glycol méthacrylate phosphate (EGMP) et de bisacrylamide (BAA) par voie photochimique dans des microsystèmes. La première stratégie développée dans des puces en verre repose sur la synthèse du monolithe à l’aide d’un microscope à épifluorescence. La deuxième approche est basée sur les propriétés photochimiques d’un nouvel amorceur qui a permis de synthétiser et d’ancrer le monolithe, en une seule étape, aux parois des puces en polydiméthylsiloxane (PDMS). Une caractérisation de ce monolithe en termes de morphologie, de perméabilité, de porosité et de surface spécifique a ensuite été réalisée. Ceci a permis de démontrer le potentiel de ce monolithe pour la préconcentration.Dans un deuxième temps, une méthode de séparation par électrophorèse couplée à une détection par fluorescence a été développée sur puce en verre. Celle-ci a permis de séparer un mélange de phosphopeptides modèles fluorescents possédant différents sites et degrés de phosphorylation. Les phosphopeptides ont été détectés en moins de 2 min avec une excellente résolution (R>3) et une bonne efficacité (plateaux théoriques compris entre 11000 et 25000). Enfin, le couplage en ligne du module de préconcentration monolithique et de séparation/détection a été réalisé. Sur ce dispositif miniaturisé, une préconcentration basée sur l’IMAC-Zr4+ a ainsi été développée. L’efficacité de la capture et de l’élution des phosphopeptides a été démontrée et des facteurs de préconcentration supérieurs à 340 ont été obtenus. En conclusion, ce laboratoire sur puce ouvre des perspectives très prometteuses dans le domaine du diagnostic de pathologies dont le processus physiopathologique implique des phosphopeptides.Mots clés : laboratoire sur puce, microsystème, phosphopeptide, IMAC, monolithe, photopolymérisation, préconcentration, électrophorèse sur puce

A lab on-a-chip is a miniaturized device that integrates onto a single chip different analytical steps (preconcentration, separation, detection...) with minimal sample consumption and short analysis time. They are potentially beneficial in phosphorylated biomarker analysis for which a preconcentration step is necessary because of their low abundance in biological fluids. That's why selective enrichment methods of phosphopeptides have been developed in recent years in particular those based on solid supports like Immobilized Metal Affinity Chromatography (IMAC). Among the solid supports, organic polymer monoliths present practical advantages when used in microchips due to their ease of preparation and in situ polymerization. The aim of this work was to develop a lab-on-a-chip integrating a monolithic support for online IMAC-based preconcentration and electrophoretic separation of phosphopeptides.In the first part, we developed two innovative approaches which allowed us to synthesize, for the first time, an ethylene glycol methacrylate phosphate-co-bisacrylamide (poly (EGMP-co-BAA)) monolith by a photo-driven process in microsystems. The first monolith synthesis approach was developed in glass microchannels using an inverted epifluorescence microscope as UV-irradiation source. The second approach was based on the photochemical properties of a new initiator which allowed the simultaneous synthesis and anchorage of the monolith in native polydimethylsiloxane (PDMS) microchips. A characterization (morphology, permeability, porosity and specific surface area) of (poly (EGMP-co-BAA)) monolith was then performed which demonstrated the potential of this monolith for preconcentration.Then a glass microchip electrophoresis method coupled to a detection by fluorescence was developed to separate a mixture of phosphopeptides fluorescent models differing with the position and number of phosphorylation sites. The phosphopeptides were detected in less than 2 min with excellent resolution (R> 3) and good efficiencies ranging from 11000 to 25000 plates. Finally, an integrated microdevice was developed by combining online preconcentration based on IMAC-Zr4+ and separation/detection of phosphopeptides. The performance of this integrated microdevice to capture and to elute the phosphopeptides was demonstrated and signal enhancement factors (SEF) higher than 340 were obtained. This lab-on-a-chip device opens news perspectives for phosphoproteomic applications and the diagnostic of diseases where the pathophysiological process involves phosphopeptides, Les laboratoires sur puce sont des dispositifs miniaturisés qui offrent la possibilité d'intégrer en ligne toutes les étapes de la chaîne analytique tout en réduisant les volumes d’échantillon et les temps d’analyse. Ainsi, ils constituent potentiellement un outil de diagnostic particulièrement adapté pour l’analyse de biomarqueurs phosphorylés, pour lesquels une préconcentration est nécessaire en raison de leur faible abondance dans les fluides biologiques. C’est pourquoi, de nouvelles méthodes, dédiées à l'enrichissement de phosphopeptides, ont été développées ces dernières années et en particulier celles utilisant des supports solides basées sur la chromatographie d’affinité sur des ions métalliques immobilisés (IMAC). Parmi les supports solides intégrables en microsystème, les monolithes organiques constituent une option privilégiée grâce à la possibilité d’être synthétisés in situ. Le but de ce travail de thèse était donc de développer un laboratoire sur puce intégrant une préconcentration des phosphopeptides sur support monolithique basé sur le principe de l’IMAC et leur séparation électrophorétique en ligne.Dans un premier temps, nous avons développé deux approches innovantes qui ont permis de synthétiser pour la première fois un monolithe à base d’éthylène glycol méthacrylate phosphate (EGMP) et de bisacrylamide (BAA) par voie photochimique dans des microsystèmes. La première stratégie développée dans des puces en verre repose sur la synthèse du monolithe à l’aide d’un microscope à épifluorescence. La deuxième approche est basée sur les propriétés photochimiques d’un nouvel amorceur qui a permis de synthétiser et d’ancrer le monolithe, en une seule étape, aux parois des puces en polydiméthylsiloxane (PDMS). Une caractérisation de ce monolithe en termes de morphologie, de perméabilité, de porosité et de surface spécifique a ensuite été réalisée. Ceci a permis de démontrer le potentiel de ce monolithe pour la préconcentration.Dans un deuxième temps, une méthode de séparation par électrophorèse couplée à une détection par fluorescence a été développée sur puce en verre. Celle-ci a permis de séparer un mélange de phosphopeptides modèles fluorescents possédant différents sites et degrés de phosphorylation. Les phosphopeptides ont été détectés en moins de 2 min avec une excellente résolution (R>3) et une bonne efficacité (plateaux théoriques compris entre 11000 et 25000). Enfin, le couplage en ligne du module de préconcentration monolithique et de séparation/détection a été réalisé. Sur ce dispositif miniaturisé, une préconcentration basée sur l’IMAC-Zr4+ a ainsi été développée. L’efficacité de la capture et de l’élution des phosphopeptides a été démontrée et des facteurs de préconcentration supérieurs à 340 ont été obtenus. En conclusion, ce laboratoire sur puce ouvre des perspectives très prometteuses dans le domaine du diagnostic de pathologies dont le processus physiopathologique implique des phosphopeptides.Mots clés : laboratoire sur puce, microsystème, phosphopeptide, IMAC, monolithe, photopolymérisation, préconcentration, électrophorèse sur puce

This thesis aims to develop a system based around an integrated photosensor device for biomedical applications requiring high detection sensitivity and spectral discrimination (selectivity). For example, this system can be applied to mesure simultaneous emissions of several fluorescent labels in lab-on- a-chip implementing very small volumes of reagents (below the microliter). The thesis focuses on the design, implementation and testing of this integrated photodetector device. The work is divided in two main parts: first, the design of a CMOS photodetector with integrated preamplifiers, and secondly the design, realization and characterization of integrated optical filters for fluorescence detection, Ce travail de thèse a pour but de développer un dispositif basé autour d'un dispositif intégré de photodétection pour des applications biomédicales nécessitant une grande sensibilité de détection et une discrimination spectrale (sélectivité). Ce dispositif peut être appliqué, par exemple, à la mesure simultanée de plusieurs marqueurs fluorescents dans les laboratoires sur puce mettant en œuvre de très faibles volumes de réactifs (inférieurs au microlitre). Le travail de thèse se focalise sur la conception, la réalisation et le test de ce dispositif intégré de photodétection. Ce travail se décline selon deux axes principaux : d'une part, la conception d'un photodétecteur CMOS avec préamplificateurs intégrés, et d'autre part la conception, la réalisation et la caractérisation de filtres optiques intégrés performants pour la détection de fluorescence

The plastics industry has been interested for some years in the possible convergence between microtechnologies and conventional polymer manufacturing (hot embossing and injection molding). In this context, this thesis aims at demonstrating the potential of a process based on microcontact printing in order to integrate metal based sensors in thermoplastic microfluidic devices shaped by hot embossing. For the mass production of thermoplastic devices, this approach appears more relevant than conventional photolithography. We chose to demonstrate this concept by investigating the integration of both a pH sensor and a temperature sensor in a thermoformed Cyclo Olefin Copolymer (COC) microfluidic system. Indeed, the measurement of these physicochemical parameters are extremely widespread in different applicative areas ranging from chemistry tobiology and medicine. For the pH sensor, we developed a pH-sensitive layer based on electrodeposited iridium oxide (IrOx) on Au. The influence of various parameters (plating solution and method , nature of the metal substrate and its method of preparation) on the pH response of these layers was studied. We were able to demonstrate that microcontact printing based on a passive approach is suitable for the preparation of pH sensors on a COC substrate with a sensitivity of -72 mV/pH and a 1 year lifetime. As regards the temperature sensor, the solution was to design a thermistor. Sensors were implemented with an approach based on active microcontact printing followed by electroless deposition of nickel (thickness varies between 0,2 and 5 μm) on polyimide. The drift of these sensors is too large for practical application. Finally, preliminary results presenting the integrating of these sensors in a fluidic microsystem are reported using an original configuration based on differential measurement of pH, Afin de réaliser des dispositifs en polymère à forte valeur ajoutée, l'industrie de la plasturgie s'intéresse depuis quelques années à la convergence possible entre les microtechnologies et les méthodes industrielles de mise en oeuvre des polymères (le thermoformage et la thermo-injection). Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse est de démontrer l'intérêt d'une approche à base de microtamponnage pour l'intégration de capteurs à base métallique dans des circuits microfluidiques en thermoplastique réalisés par thermoformage. Pour ces matériaux, cette approche apparait plus pertinente en terme de production de masse qu'une approche de photolithographie classique. Nous avons choisi de démontrer ce concept en étudiant l'intégration d'un capteur de pH et d'un capteur de température dans un système microfluidique en copolymère d'oléfine cyclique (COC) réalisé par thermoformage. En effet, la mesure de ces paramètres physico-chimiques est extrêmement répandue dans différents domaines d'application allant de la chimie à la biologie et à la médecine. Pour le capteur de pH, nous avons développé une couche sensible au pH à base d'oxyde d'iridium (IrOx) électrodéposé sur or. L'influence de différents paramètres (solution d'électrodépôt, méthode d'électrodéposition, nature du substrat métallique et son mode de préparation) sur la réponse au pH de ces couches a été étudiée. Nous avons ainsi pu démonter qu'une approche par microtamponnage passive est adaptée à la préparation de capteurs de pH sur un substrat en COC/Au ayant une sensibilité de -72 mV/pH et une durée de vie de 1 an. Pour le capteur de température, la solution retenue est basée sur le principe d'une thermorésistance. Les capteurs ont été élaborés en utilisant une approche par microtamponnage actif avec croissance d'une couche de nickel (dont l'épaisseur varie entre 0,2 et 5 μm) par métallisation autocatalytique sur polyimide. La dérive des capteurs est actuellement trop importante pour une application pratique. Finalement, des résultats préliminaires d'intégration de ces capteurs dans un microsystème fluidique thermoformé sont présentés avec notamment une configuration originale de mesure différentielle du pH

In this work, a microfluidic system based on surface acoustic wave has been developed in order to achieve the amplification of DNA strands by temperature cycling (PCR). We studied mainly the temperature and the heat uniformity of microdroplets irradiated by Rayleigh waves. These waves are generated at the surface of a lithium niobate substrate. We propose a system allowing better temperature uniformity within microdroplets with an optimal energy consumption. For this, a device with buried transducer has been developed under an insulating layer (Silice). The droplets are then placed directly on the transducer which limits losses and improves the distribution of heat within the microdroplets. We then verified that the PCR reagents are not affected by the Rayleigh waves which suggests that PCR can be performed using a heating system by Rayleigh waves. Moreover, the move of microdroplets on this kind of LiNbO3 substrate is important for lab on chip applications. This substrate having hydrophilic properties, some coatings have been developed to minimize the required force to actuate the microdroplets. In this work, we developed a new hydrophobic layer based on copolymer P(VDF-TrFe) whose production is simply made by dissolving and spreading by spin-coating. We have shown that this kind of layer is compatible with Rayleigh waves and that the hydrophobic properties are equivalent to other coatings; Un système microfluidique à onde élastique de surface a été développé dans le but de réaliser une réaction d'amplification de brins d'ADN par PCR. Nous avons principalement étudié la température et l'uniformité de l'échauffement des gouttes irradiées par des ondes de type Rayleigh. Ces dernières sont générées à la surface d'un substrat piézoélectrique de Niobate de Lithium (LiNbO3). Nous avons pensé un système consommant le moins d'énergie électrique possible pour atteindre les températures désirées et permettant une meilleure uniformité de la température des gouttes. Pour cela, un dispositif à transducteur enterré a été réalisé sous une couche isolante de silice. Les gouttes sont ainsi directement posées sur le transducteur ce qui limite les pertes et améliore la répartition de la chaleur au sein des gouttes. Nous avons ensuite vérifié que les réactifs de la PCR ne sont pas affectés par les ondes de Rayleigh ce qui laisse présager que la PCR peut être réalisée à l'aide d'un système d'échauffement par ondes de Rayleigh. Par ailleurs, le déplacement de goutte sur ce type de substrat de LiNbO3 est important pour des applications de type laboratoire sur puce. Ce substrat ayant des propriétés hydrophiles, des revêtements ont été développés afin de minimiser la force nécessaire à l'actionnement des gouttes. Dans ces travaux, nous proposons un nouveau type de couche à base de copolymère P(VDF-TrFe) dont la fabrication est simplement réalisée par dissolution et étalement par spin-coating. Nous avons montré que ce type de couche n'affecte que très peu la propagation des ondes de Rayleigh et les propriétés hydrophobes sont équivalentes à d'autres revêtements

Cell fusion is a method to generate a hybrid cell combing the specific properties of its progenitor cells. Initially developed for antibody production, it is now also investigated for cancer immunotherapy. Electrofusion consists on the production of hybridoma using electric pulses. Compared to viral or chemical methods, electrofusion shows higher yields and this system is contaminant free. Actually, electrofusion is investigated in electroporation cuvettes, where the electric field is not precisely controllable and cell placement impossible, resulting in low binuclear hibridoma yields. To improve the fusion quality and yield, cell capture and pairing are necessary.Our objective was the development and realization of biochips involving microelectrodes and microfluidic channels to place and pair cells prior to electrofusion. A first trapping structure based on insulators and the use of dielectrophoresis has been achieved. In order to perform fluidic experiments, a biocompatible irreversible packaging was developed. Then, the experimental medium was optimized for electrofusion. Confronting the biological experiments and the numerical simulations, we showed that the application of electric pulses leads to a decrease of the cytoplasmic conductivity. The microstructure was validated by cell electrofusion. A yield of 55%, with a membrane fusion duration of 6 s has been achieved. Secondly, we proposed two trapping microstructures for high density electrofusions. The first one is based on a fluidic trapping while the second one uses dielectrophoresis, free of electric wiring, thanks to conductive pads. Up to 75% of paired cells were successfully electrofused with the conductive pads. More than 97% of the hybridoma were binuclear. The trapping being reversible, the hybridoma can be collected for further analysis., La fusion cellulaire est une méthode de génération de cellules hybrides combinant les propriétés spécifiques des cellules mères. Initialement développée pour la production d’anticorps, elle est maintenant aussi investiguée pour l’immunothérapie du cancer. L’électrofusion consiste à produire ces hybrides en utilisant un champ électrique pulsé. Cette technique présente de meilleurs rendements que les fusions chimiques ou virales, sans introduire de contaminant. L’électrofusion est actuellement investiguée en cuve d’électroporation où le champ électrique n’est pas contrôlable avec précision et le placement cellulaire impossible, produisant de faibles rendements binucléaires. Afin d’augmenter le rendement et la qualité de fusion, la capture et l’appariement des cellules s’avèrent alors nécessaires.Notre objectif a été de développer et de réaliser des biopuces intégrant des microélectrodes et des canaux microfluidiques afin de positionner et d’apparier les cellules avant leur électrofusion. Une première structure de piégeage se basant sur des plots isolants et l’utilisation de la diélectrophorèse a été réalisée. Afin d’effectuer des expérimentations sous flux, une méthode de scellement des canaux, biocompatible et étanche a été développée. Puis, le milieu d’expérimentation a été adapté pour l’électrofusion. En confrontant les résultats des expériences biologiques aux simulations numériques, nous avons pu démontrer que l’application d’impulsions électriques induisait la diminution de la conductivité cytoplasmique. Nous avons ensuite validé la structure par l’électrofusion de cellules. Un rendement de 55% avec une durée de fusion membranaire de 6 s a été obtenu. Dans un second temps, nous avons proposé deux microstructures de piégeage pour l’électrofusion haute densité. La première se base sur un piégeage fluidique, alors que la seconde, utilise ladiélectrophorèse sans adressage électrique à l’aide de plots conducteurs. Jusqu’à 75% des cellules fusionnent dans cette dernière structure. Plus de 97% des hybridomes produits sont binucléaires. Le piégeage étant réversible, les hybridomes peuvent ensuite être collectés pour des études ultérieures.

Extraction of pathogens from a biological sample is a key step for efficient diagnostic tests of infectious diseases. For bloodstream infections, current diagnostic methods are usually based on bacterial growth and take several days to provide valuable information. An accelerated result would have a high medical value to adjust therapeutic strategies. The aim of this study is to design a new approach for separation and concentration of microorganisms directly from a blood sample, to avoid time-consuming growth stages. We report a method based on two different microsystems connected in series: it combines modification of conductivity and osmolarity of the sample with generic capture of microorganisms by dielectrophoresis. First we explore the impact of conductivity and osmolarity on the dielectric properties of blood cells and microorganisms. Dilution and acoustic forces are both analyzed to transfer blood cells and microorganisms to the optimized buffer. Then we demonstrate the feasibility of achieving the dielectrophoretic separation of microorganisms from blood cells in a low conductivity and low osmolarity medium inside a fluidic device. The structure of the device is optimized with numerical simulations and experiments performed on blood samples and various microorganisms (E. coli, S. epidermidis and C. albicans).The generic capture of microorganisms is validated, and we achieved a separation of 97% efficiency with E. coli, with an optimal inlet velocity around 100-200 µm.s-1. Finally, we propose an improved microsystem to perform the sample preparation step on a larger volume (1-10mL) in a few hours, in order to fit the medical need., Dans le domaine du diagnostic in vitro, l'étape d'extraction de micro-organismes à partir d'un échantillon complexe est une étape clé pour permettre l'identification du pathogène responsable d'une infection. Pour les septicémies, cette étape d'extraction est généralement précédée d'une étape de culture, ce qui conduit à une obtention des résultats au bout de plusieurs jours. Un résultat plus rapide (typiquement inférieur à 24h) permettrait d'augmenter le taux de survie des patients, et aurait ainsi une forte valeur ajoutée pour le corps médical. Le but de ces travaux est donc de développer une nouvelle méthode d'extraction et de concentration de pathogènes directement à partir d'un échantillon sanguin, sans étape de culture. Une stratégie en deux modules microfluidiques associés en série est proposée : elle repose sur la modification de la conductivité et de l'osmolarité de l'échantillon dans un premier module, puis sur la capture des micro-organismes par diélectrophorèse dans un second module. L'étude du premier module a permis de déterminer l'impact de la conductivité et de l'osmolarité du milieu sur les propriétés diélectriques des cellules. Deux voies ont ainsi été abordées, afin de diriger les cellules du sang et les micro-organismes vers un milieu de conductivité et d'osmolarité contrôlées : la dilution, et l'utilisation de forces acoustiques. L'étude du deuxième module a ensuite permis de démontrer la possibilité de capturer et concentrer des micro-organismes à partir d'un échantillon hypotonique et faiblement conducteur dans un écoulement microfluidique par diélectrophorèse. L'architecture d'un microsystème dédié a été définie grâce à un modèle numérique, puis validé expérimentalement avec des échantillons sanguins et différents micro-organismes (E. coli, S. epidermidis et C. albicans). La capture générique des micro-organismes est démontrée, et un taux de capture de 97% a été obtenu pour la séparation de \EC, avec une vitesse moyenne de l'échantillon dans le microsystème de 100 à 200 µm.s-1. Enfin, des perspectives d'amélioration sont présentées pour permettre d'effectuer cette étape de séparation sur un gros volume d'échantillon (1 à 10mL) en quelques heures, afin de répondre aux exigences imposées par l'urgence des tests de diagnostic des septicémies.

In this work, a microfluidic system based on surface acoustic wave has been developed in order to achieve the amplification of DNA strands by temperature cycling (PCR). We studied mainly the temperature and the heat uniformity of microdroplets irradiated by Rayleigh waves. These waves are generated at the surface of a lithium niobate substrate. We propose a system allowing better temperature uniformity within microdroplets with an optimal energy consumption. For this, a device with buried transducer has been developed under an insulating layer (Silice). The droplets are then placed directly on the transducer which limits losses and improves the distribution of heat within the microdroplets. We then verified that the PCR reagents are not affected by the Rayleigh waves which suggests that PCR can be performed using a heating system by Rayleigh waves. Moreover, the move of microdroplets on this kind of LiNbO3 substrate is important for lab on chip applications. This substrate having hydrophilic properties, some coatings have been developed to minimize the required force to actuate the microdroplets. In this work, we developed a new hydrophobic layer based on copolymer P(VDF-TrFe) whose production is simply made by dissolving and spreading by spin-coating. We have shown that this kind of layer is compatible with Rayleigh waves and that the hydrophobic properties are equivalent to other coatings, Un système microfluidique à onde élastique de surface a été développé dans le but de réaliser une réaction d'amplification de brins d'ADN par PCR. Nous avons principalement étudié la température et l'uniformité de l'échauffement des gouttes irradiées par des ondes de type Rayleigh. Ces dernières sont générées à la surface d'un substrat piézoélectrique de Niobate de Lithium (LiNbO3). Nous avons pensé un système consommant le moins d'énergie électrique possible pour atteindre les températures désirées et permettant une meilleure uniformité de la température des gouttes. Pour cela, un dispositif à transducteur enterré a été réalisé sous une couche isolante de silice. Les gouttes sont ainsi directement posées sur le transducteur ce qui limite les pertes et améliore la répartition de la chaleur au sein des gouttes. Nous avons ensuite vérifié que les réactifs de la PCR ne sont pas affectés par les ondes de Rayleigh ce qui laisse présager que la PCR peut être réalisée à l'aide d'un système d'échauffement par ondes de Rayleigh. Par ailleurs, le déplacement de goutte sur ce type de substrat de LiNbO3 est important pour des applications de type laboratoire sur puce. Ce substrat ayant des propriétés hydrophiles, des revêtements ont été développés afin de minimiser la force nécessaire à l'actionnement des gouttes. Dans ces travaux, nous proposons un nouveau type de couche à base de copolymère P(VDF-TrFe) dont la fabrication est simplement réalisée par dissolution et étalement par spin-coating. Nous avons montré que ce type de couche n'affecte que très peu la propagation des ondes de Rayleigh et les propriétés hydrophobes sont équivalentes à d'autres revêtements

This work focuses on the development of a microfluidic platform (lab on a chip) for the measurement of pathogens infectivity power in water. The main function studied in this manuscript is the concentration of parasites suspended in a liquid. The manipulation of microparticles is based on the use of electrokinetic forces. Numerical analysis in two and three dimensions provides qualitative information. It can also extract the geometric key values of electrodes used for the concentration of the microparticles. These theoretical results are confirmed experimentally using two devices containing a wide variety of concentrators. From the theoretical and experimental results, we design an optimized concentrator. It is integrated in a system allowing droplet motion by electrowetting on dielectric (EWOD). This system is used in three modes: concentrator, extractor and separator. Cryptosporidium oocysts and Giardia lamblia cysts are used for the characterization of the device. Preliminary results of cell culture on surfaces functionalized at scale of hundreds of microns allow to consider the development of a complete microfluidic platform for infectivity analysis of pathogenic agent such as Cryptosporidium.; Ce travail de recherche porte sur le développement d'une plateforme microfluidique de type laboratoire sur puce pour la mesure du pouvoir infectieux d'agents pathogènes présents dans l'eau. La principale fonction étudiée dans ce manuscrit est la concentration de parasites en suspension dans un liquide. La manipulation des microparticules est basée sur l'emploi de forces électrocinétiques. Une analyse numérique en deux et trois dimensions apporte des informations qualitatives. Elle permet également d'extraire les valeurs géométriques clés des électrodes employées pour la concentration des microparticules. Ces premiers résultats théoriques sont confirmés expérimentalement à l'aide de deux dispositifs contenant une grande variété de concentrateurs. A partir des éléments théoriques et expérimentaux, nous concevons un concentrateur optimisé. Il est intégré dans un dispositif employant la technique de déplacement de goutte par électromouillage sur diélectrique (EWOD). Ce système est employé selon trois modes : concentrateur, extracteur et séparateur. Des oocystes de Cryptosporidium et des kystes de Giardia lambia sont utilisés pour la caractérisation du dispositif. Enfin, des résultats préliminaires de cultures cellulaires sur des surfaces fonctionnalisées à l'échelle de la centaine de micromètres permettent d'envisager le développement d'une plateforme microfluidique complète d'analyse du pouvoir infectieux d'agents pathogènes du genre Cryptosporidium.

This work focuses on the development of a microfluidic platform (lab on a chip) for the measurement of pathogens infectivity power in water. The main function studied in this manuscript is the concentration of parasites suspended in a liquid. The manipulation of microparticles is based on the use of electrokinetic forces. Numerical analysis in two and three dimensions provides qualitative information. It can also extract the geometric key values of electrodes used for the concentration of the microparticles. These theoretical results are confirmed experimentally using two devices containing a wide variety of concentrators. From the theoretical and experimental results, we design an optimized concentrator. It is integrated in a system allowing droplet motion by electrowetting on dielectric (EWOD). This system is used in three modes: concentrator, extractor and separator. Cryptosporidium oocysts and Giardia lamblia cysts are used for the characterization of the device. Preliminary results of cell culture on surfaces functionalized at scale of hundreds of microns allow to consider the development of a complete microfluidic platform for infectivity analysis of pathogenic agent such as Cryptosporidium.; Ce travail de recherche porte sur le développement d'une plateforme microfluidique de type laboratoire sur puce pour la mesure du pouvoir infectieux d'agents pathogènes présents dans l'eau. La principale fonction étudiée dans ce manuscrit est la concentration de parasites en suspension dans un liquide. La manipulation des microparticules est basée sur l'emploi de forces électrocinétiques. Une analyse numérique en deux et trois dimensions apporte des informations qualitatives. Elle permet également d'extraire les valeurs géométriques clés des électrodes employées pour la concentration des microparticules. Ces premiers résultats théoriques sont confirmés expérimentalement à l'aide de deux dispositifs contenant une grande variété de concentrateurs. A partir des éléments théoriques et expérimentaux, nous concevons un concentrateur optimisé. Il est intégré dans un dispositif employant la technique de déplacement de goutte par électromouillage sur diélectrique (EWOD). Ce système est employé selon trois modes : concentrateur, extracteur et séparateur. Des oocystes de Cryptosporidium et des kystes de Giardia lambia sont utilisés pour la caractérisation du dispositif. Enfin, des résultats préliminaires de cultures cellulaires sur des surfaces fonctionnalisées à l'échelle de la centaine de micromètres permettent d'envisager le développement d'une plateforme microfluidique complète d'analyse du pouvoir infectieux d'agents pathogènes du genre Cryptosporidium.

The work presented in this thesis deals with the integration of non-conventional materials in microfluidic systems. It aims to demonstrate the potential of cPDMS, a conductive nanocomposite material made up of polydimethylsiloxane matrix mixed with carbon nanoparticles. Compatible with the usual technological processes such as soft lithography, cPDMS can be microstructured in a large range of thicknesses and geometries. Moreover, cPDMS can be quickly, irreversibly and perfectly sealed to glass, PDMS and silicon substrates, something that is not possible for conventional metallic electrodes. The first part of the manuscript is centered on the characterization of this material. Its electrical and surface properties that may turn out critical for microfluidic applications have been particularly studied. Electric fields present many opportunities to perform key functions in microfluidic (detection, separation, fluid or particles handling). We have chosen to assess the potential of cPDMS electrodes for two kinds of applications. Aspects of detection were first demonstrated using cyclic voltammetry measurements. This electrochemical method has enabled both to characterize the cPDMS surface while validating its potential as an electrochemical analysis tool. In the last part of this manuscript, cPDMS was tested for the electrokinetic manipulation of particles through thre study of different electrical fields with induced phenomena. This has led to the development of microfluidic devices (integrating cPDMS electrodes) designed for cell lysis and cells electrofusion., Le travail de thèse présenté dans ce manuscrit s’inscrit dans une dynamique d’intégration de matériaux non conventionnels en systèmes microfluidiques. Il vise à démontrer le potentiel du cPDMS, un matériau nanocomposite formé d’une matrice de polydiméthylsiloxane rendu conducteur par l’ajout de nanoparticules de carbone. Compatible avec les procédés technologiques habituels, le cPDMS peut être structuré dans une large gamme d’épaisseurs et de géométries mais présente surtout l’avantage de pouvoir être collé irréversiblement sur verre, PDMS et silicium. Son intégration est parfaitement étanche, rapide à mettre en oeuvre, et très économique. La première partie du manuscrit est consacrée à la caractérisation de ce matériau. Ses propriétés électriques et de surface, pouvant être critiques pour une utilisation en microfluidique, ont été particulièrement étudiées. Les champs électriques offrant de nombreuses possibilités pour réaliser des fonctions clés en microfluidique (détection, séparation, manipulation de fluides ou de particules), nous avons choisi d’évaluer l’intérêt d’électrodes de cPDMS dans deux types d’applications. Les aspects de détection ont d’abord été mis en évidence à l’aide de mesures électrochimiques. Cette méthode a permis à la fois de caractériser la surface du cPDMS tout en validant son utilisation potentielle pour des applications d’analyses électrochimiques. Dans la dernière partie du manuscrit, le matériau a été testé pour la manipulation de particules à travers l’observation de différents phénomènes électrocinétiques. Ceux-ci ont conduit à la mise au point de dispositifs microfluidiques (intégrant des lectrodes de cPDMS) dédiés à la lyse et à l’électrofusion de cellules.

Understanding the details of how chromatin folds and the physical parameters governing chromatin behavior are among the most intriguing intellectual challenges in modern cell biology. Recent insights on chromosome conformation in yeast nuclei were gained owing to high-throughput molecular biology techniques, but the physical parameters governing chromosomes dynamics remain completely misunderstood. During my thesis, we have developed an original high speed 3D imaging technology for studying chromatin in living yeast, which allows accessing 3D dynamics with temporal resolutions of 15 ms and nanometer resolution by fluorescence microscopy. Our technology is based on the fabrication of V-shaped micromirrors by standard photolithography, and relies on stereovision methods for 3D reconstruction. These micromirrors were integrated into a lab on a chip, and several versions of the technology have been proposed to improve their properties. We demonstrated that this technology is suitable for tracking the movement of chromosomes in living cells, and we achieved among the best acquisition rates in the literature. Our technological developments were eventually used to explore the physical mechanisms behind the spatial fluctuations of chromosomes, and we observed that standard models of polymer physics can be used to extract quantitative information describing the organization and the spatial dynamics of genome.; L'organisation à grande échelle des chromosomes à l'intérieur du noyau des cellules est complexe et reste encore mal comprise. Durant ma thèse, nous avons exploité les ressources technologiques du LAAS pour développer et optimiser une nouvelle méthode de visualisation en 3D rapide - à l'échelle de la dizaine de millisecondes - avec une résolution spatiale de ~20 nanomètres. Cette méthode est fondée sur la fabrication de micromiroirs en forme de V par gravure humide du silicium, et sur l'analyse d'images avec les techniques de stéréovision qui permettent de recombiner des vues collectées sous différents angles dans un environnement 3D. Ces micromiroirs ont ensuite été intégrés dans un laboratoire sur puce, et plusieurs versions de la technologie ont été proposées afin d'améliorer leurs propriétés. Nous avons démontré que cette technologie est adaptée pour le suivi des mouvements des chromosomes dans les cellules vivantes, que nous avons pu retracer avec les meilleures cadences de la littérature. Ces résultats nous ont ensuite permis d'explorer les mécanismes physiques à l'origine des fluctuations spatiales des chromosomes, et de montrer que les modèles de physique des polymères génériques peuvent être utilisés pour extraire des informations quantitatives décrivant l'organisation et la dynamique spatiale du génome.

This work deals with the fabrication of an inorganic silicon nanowires substrate dedicated to the sensitive detection of biomolecules by laser desorption/ionisation mass spectrometry (LDI-MS). This technique, in contrast to the matrix-assisted LDI mass spectrometry (MALDI), allows low mass molecules' (

This thesis is about the action of acoustic waves on micrometer-sized bubbles excited at their resonance frequency. Indeed, bubbles can be considered as mechanical oscillators and the acoustic forces at the resonance, called Bjerknes forces, have non ordinary properties. Moreover, the bubbles interact between them by the emission of a secondary acoustic field, leading to their self-organization on a periodic mesh. Here, the bubbles are confined in microchannels, they are not spherical and rub against the walls. The experimental study of the acoustic forces (primary and secondary force) is thus preceded by the modeling of the bubble flow, linking the wall friction to the applied external forces. Several applications dedicated to the lab-on-a-chip are developped, with the size sorting, the controlled asymetric break-up, the automatic switching at a bifurcation and the manipulation of drops., Cette thèse traite de l'action des ondes acoustiques sur des bulles micrométriques excitées à leur fréquence de résonance. En effet, les bulles peuvent être considérées comme des oscillateurs mécaniques et les forces acoustiques à leur résonance, appelées forces de Bjerknes, ont des propriétés non triviales. De plus, les bulles interagissent entre elles par l'émission d'un champ secondaire, menant à leur auto-organisation sur un motif périodique. Ici, les bulles sont confinées dans des microcanaux, elles ne sont pas sphériques et frottent fortement sur les parois. L'étude expérimentale des forces acoustiques (primaire et secondaire) est alors précédée par la modélisation de l'écoulement des bulles, liant la friction sur les parois aux forces externes appliquées. Plusieurs applications aux laboratoires sur puce sont développées, dont le tri en taille, la division asymétrique contrôlée, l'aiguillage automatique à une bifurcation, et la manipulation de goutte.

Electropermeabilization is a safe and routinely used method to transfer genes or drugs in cells or tissues. Recent studies on intra-cellular effects of nanosecond pulsed electric fields opened new ways for cell manipulation. But before thinking to clinical applications, the development of new tools is necessary. In this context, we developed new exposition devices to ultra-short pulses and we showed potential therapeutic applications, especially for cancer treatment. A new concept based on insulated electrodes was proposed to avoid any electrochemical contamination or burn of cells or tissues. The implementation of such method for in vitro and in vivo experiments permitted to increase the efficiency of luciferase production after conventionnal electrogenetransfer. Finally, the combination of bleomycin with nanosecond pulses gave complete tumor regressions. A biochip for the real-time observation of exposed cells under a microscope was also realized and included as the end element of the pulse transmission line. All the results presented in this thesis showed that it is possible to consider the use of such ultra-short pulsed electric fields as a new therapeutic tool for cancer treatment and gene therapy., La perméabilisation cellulaire par l'intermédiaire de champs électriques est une des méthodes les plus sures pour le transfert de gènes et de molécules d'intérêt. La découverte des effets intra-cellulaires d'un nouveau type d'impulsions électriques - les nanopulses - a ouvert de nouvelles perspectives à l'application des impulsions électriques au vivant. La mise au point de nouveaux outils est indispensable avant de pouvoir appliquer ces techniques à l'homme. Aussi, notre but a été de mettre au point des systèmes d'exposition de cellules à ces impulsions et de montrer que de nouvelles applications thérapeutiques étaient possibles, en particulier en cancérologie. Une nouvelle méthode d'exposition de cellules ou de tissus basée sur l'utilisation d'électrodes isolées a été proposée permettant d'éviter tout risque de contamination ou brûlure électrochimique. A l'aide de cette nouvelle méthode, des expériences in vitro puis in vivo ont pu être menées et confirment la possibilité d'augmenter d'un facteur 3 à 6 la production de luciférase après un électrotransfert de ce gène. Enfin, l'exposition de tumeurs à ces impulsions en présence de bléomycine a permis d'obtenir des régressions tumorales complètes. Nous avons aussi conçu un biomicrosystème permettant d'étudier les effets de telles impulsions à l'échelle cellulaire sous microscope s'intégrant comme terminaison adaptée dans la chaîne d'exposition. L'ensemble des résultats présentés dans cette thèse montre qu'il est possible d'envisager l'utilisation de ces impulsions comme nouvel outil thérapeutique dans le traitement de cancers ou en thérapie génique.

This work deals with the fabrication of an inorganic silicon nanowires substrate dedicated to the sensitive detection of biomolecules by laser desorption/ionisation mass spectrometry (LDI-MS). This technique, in contrast to the matrix-assisted LDI mass spectrometry (MALDI), allows low mass molecules' (, Ce travail porte sur la fabrication d'un support inorganique de nanofils de silicium dédié à la détection sensible de biomolécules par désorption/ionisation laser (LDI) en spectrométrie de masse (MS). Cette technique, contrairement à l'analyse LDI assistée par matrice (MALDI), permet de s'affranchir des ions parasites de la matrice organique qui interfèrent avec les molécules de masses inférieures à 700 Da. La littérature fait état de la difficulté à déterminer les paramètres liés à la performance de la technique : nous avons varié la morphologie, la composition, la chimie de surface des nanofils de silicium et nous avons discuté de l'importance des propriétés optiques et thermiques, de la mouillabilité de surface et de l'accessibilité des molécules au faisceau laser. Le support de nanofils optimal montre une haute sensibilité de détection des molécules de petites masses (50 fois supérieure au MALDI), il s'adapte à des analyses protéomiques et nous a permis d'instaurer un contrôle complémentaire au suivi de la réaction de méthylation pour la conception d'une biopuce à peptides. Nous avons finalement travaillé sur l'intégration de ce support dans un laboratoire sur puce. Une goutte d'1 µL d'un mélange de peptide (50.10-15M) a été déplacée par microfluidique discrète (électromouillage sur diélectrique) puis analysée avec succès par LDIMS. Finalement, nous avons développé une méthode originale combinant la chimie et la topographie de surface des nanofils de silicium à des techniques de lithographie optique : des zones de différentes tensions de surface liquide/solide sont ainsi créées et sont favorables à l'adhésion localisée de protéines, de cellules et de bactéries.

Diagnostic tests are essentially performed on blood which is representative of complex patient pathologic states. For most analysis, the procedure to separate blood elements necessarily includes a centrifugation followed by a physical separation. So it is macroscale, manual and multi-steps, making the crucial blood fractionation step one of the last hurdles towards the total integration of blood analysis in microsystems. Thus our goal is to perform an efficient point-of-care sample preparation device to quickly, easily and reproducibly fractionate bloods elements. To do so innovating devices are firstly proposed to continuously extract plasma using only passive microfluidic effects. More precisely, these devices are based on the cell-free layer in a channel flow and its strong expansion by restriction effect and geometric singularities. For a 1:20 diluted blood injected at 100µL/min, the extraction yield is up to 17% giving a 4-fold improvement regarding a reference device. The influence of the sample dilution is analysed and extracted plasma is biologically validated. In the meantime, methods of cells sorting by affinity capture are developed, using a specific surface functionalization and antibodies arrays. A capture is set out in whole blood for each cell type, experimentally optimized and proved to be specific and proportional. Solutions have been finally proposed in view of the integration of both operations, microfluidic separation and cells sorting., Beaucoup de tests de diagnostic médical sont réalisés sur le sang, qui est un échantillon représentatif d'états pathologiques complexes. La séparation des différents constituants du sang est surtout réalisée par centrifugation ; son passage en microsystème reste l'obstacle principal en vue de l'intégration complète de l'analyse sanguine. Notre but est donc de développer une technique simple et rapide, permettant de séparer les éléments sanguins de façon continue et efficace, et intégrable dans un laboratoire sur puce. Tout d'abord, des dispositifs microfluidiques innovants sont proposés pour l'extraction du plasma, fondés sur le couplage de différents phénomènes microfluidiques passifs. En particulier, ces dispositifs exploitent la couche appauvrie dans un écoulement en canal et l'amplifient par l'effet restriction ainsi que par des singularités géométriques. Un rendement d'extraction maximal de 17% est obtenu à partir de sang dilué au 1:20 et injecté à 100µL/min, soit une amélioration d'un facteur 4 par rapport au dispositif de référence. L'influence de la dilution de l'échantillon est analysée, et le plasma extrait est biologiquement validé. En parallèle, des méthodes de tri cellulaire par capture spécifique sont développées, fondées sur la fonctionnalisation de surface et le greffage d'anticorps. Une accroche spécifique et proportionnelle est mise au point et optimisée, à partir de sang total, pour chaque type cellulaire. Des solutions ont été proposées pour l'intégration de ces deux opérations unitaires, séparation microfluidique et tri cellulaire.

Labs on chips are miniaturized devices integrating one or several laboratory functions, usually dedicated to the handling of chemical and biological samples. Our work aimed at integrating a smart polymer called poly(N-isopropylacrylamide) (pnipam) in microsystems, in order to develop a new technological process for labs on chips. pnipam is a thermosensitive polymer that undergoes a reversible state transition ; it switches from a hydrophilic, swollen state below its temperature of transition (lcst ~32°C), to a hydrophobic, collapsed state above it. The technology we developed is based on heating elements and a surface functionalization process to graft the pnipam layer. Our results show that the electro-osmotic ow can be modulated by thermally controlling the pnipam, thus paving the way to electrokinetic mixers. This thermal control also enables the adsorption (and partial desorption) of proteins on fonctionalized beads, the main application being sample preparation.; Les laboratoires sur puce sont des dispositifs intégrés rassemblant, sur un substrat miniaturisé, une ou plusieurs fonctions de laboratoire, généralement dédiées à la manipulation d'échantillons chimiques ou biologiques. L'objectif de ces travaux est l'intégration dans les microsystèmes d'un polymère intelligent, le poly(N-isopropylacrylamide) (pnipam), afin de développer une nouvelle filière technologique pour les laboratoires sur puce. Le pnipam est un polymère thermosensible subissant un changement réversible, d'un état hydrophile et gonflé sous sa température de transition (lcst ~32°C) à un état hydrophobe et replié au-delà. La technologie développée repose sur des éléments chauffants et un protocole de greffage du pnipam sur des surfaces. Nos travaux montrent que le contrôle thermique du pnipam permet de moduler le flux électroosmotique, ouvrant ainsi la voie au développement de mélangeurs électrocinétiques. Ce contrôle permet également l'accrochage, partiellement réversible, de protéines sur des billes fonctionnalisées, pour des applications dans le domaine de la préparation d'échantillon.

The aim of our work is to develop an effective method for the patterning of closed solid support such as microchannels or capillaries by biomolecules. The covalent attachment of biomolecules on the glass and silicon surfaces is carried out by using the formation an oxime linkage. Patterning is achieved upon illumination by deprotecting the aminooxy function protected by a photolabile (NPPOC) group. We have show that on both planar format and capillary format the aminooxy surface protected by a photolabile group, is effective for the immobilization of several oligonucleotides at predefined positions. The strategy was further extended for the immobilization of other molecules such as sugars, peptides or different hydrophobic and hydrophilic molecules in the capillaries. The results show the effectiveness of our strategy for the immobilization of variety of molecules. Further, we showed that the use of a hydrophilic surface (PEG) improves the sensitivity of this methodology.; Le travail ici exposé a pour finalité le développement d'une méthode efficace de fonctionnalisation et d'adressage de biomolécules sur support solide fermé tel que des microcanaux ou capillaires. La fonctionnalisation de la surface de verre ou de silicium est réalisée en utilisant la formation d'un lien covalent oxime entre la molécule et le support. L'adressage est réalisé en utilisant une déprotection photochimique de la fonction oxyamine protégée par un groupe photolabile (NPPOC). Nous avons démontré en format plan et en format capillaire que la surface oxyamine protégée par un groupe photolabile est efficace pour l'immobilisation de plusieurs oligonucléotides de façon localisée. La stratégie a été étendue pour l'immobilisation dans les capillaires d'autres molécules tels que les sucres, peptides ou molécules hydrophobes et hydrophiles. Les résultats montrent l'efficacité de notre stratégie pour l'immobilisation de ce type de molécules. Nous avons également montré que l'utilisation d'une surface hydrophile (PEG) améliore sensiblement le bruit de fond.

Optical trapping, discovered in the 70's, allows moving and stabilizing small objects which sizes varies from atoms to particles of several microns. This technique, based on momentum conservation, is particularly well suited for manipulating biological matter (cells, organelles, vesicles, functionalized particles, etc.) and offers interesting potentialities for research in biotechnologies and biochemistry. The possibility to individually immobilize large numbers of microscopic objects opens new ways for the downscaling of analysis tools for drug screening, particles sorting or assessing statistical data. The combination of optical trapping with microfluidics greatly increases the prospect of the method. This PhD work takes place in a research aiming at creating large arrays of optical traps compatible with microfluidic devices in order to realize so-called lab-on-a-chip. These miniaturized systems allow recreating at smaller time scale, reduced resources and lower cost, experiments usually performed in a macroscopic environment. This study proposes solutions based on light interference and on landscaping of light intensity. Setups combining several laser beams are proposed to create interference patterns and various configuration of light potential wells. Increasing the number of interfering beams, in particular by using a multiple beams interferometer (Fizeau-Tolansky interferometer) leads to a raise of the light intensity gradient, further increasing the trapping efficiency. The quality of the optical traps is studied and discussed in comparison with conventional laser tweezers. More complex and original solutions using interference of electromagnetic fields are suggested. Namely, the light diffracted by the objects themselves is used to form new potential wells. Diffractive structures are devised to generate three-dimensional arrays of traps. The periodicity of those planar structures creates a self-imaging phenomenon, known as Talbot effect. The modulation of the field in the Fresnel zone, i.e. some tens of micrometers behind the diffractive element, reveals interesting properties for optical trapping, in particular local intensity amplification and gradient enhancement. When several particles are simultaneously immersed in an electromagnetic field, interaction effects arise, that link the particles. This phenomenon of optical binding, is studied and demonstrated here in the case of bidimensional optical crystals.

The aim of our work is to develop an effective method for the patterning of closed solid support such as microchannels or capillaries by biomolecules. The covalent attachment of biomolecules on the glass and silicon surfaces is carried out by using the formation an oxime linkage. Patterning is achieved upon illumination by deprotecting the aminooxy function protected by a photolabile (NPPOC) group. We have show that on both planar format and capillary format the aminooxy surface protected by a photolabile group, is effective for the immobilization of several oligonucleotides at predefined positions. The strategy was further extended for the immobilization of other molecules such as sugars, peptides or different hydrophobic and hydrophilic molecules in the capillaries. The results show the effectiveness of our strategy for the immobilization of variety of molecules. Further, we showed that the use of a hydrophilic surface (PEG) improves the sensitivity of this methodology., Le travail ici exposé a pour finalité le développement d'une méthode efficace de fonctionnalisation et d'adressage de biomolécules sur support solide fermé tel que des microcanaux ou capillaires. La fonctionnalisation de la surface de verre ou de silicium est réalisée en utilisant la formation d'un lien covalent oxime entre la molécule et le support. L'adressage est réalisé en utilisant une déprotection photochimique de la fonction oxyamine protégée par un groupe photolabile (NPPOC). Nous avons démontré en format plan et en format capillaire que la surface oxyamine protégée par un groupe photolabile est efficace pour l'immobilisation de plusieurs oligonucléotides de façon localisée. La stratégie a été étendue pour l'immobilisation dans les capillaires d'autres molécules tels que les sucres, peptides ou molécules hydrophobes et hydrophiles. Les résultats montrent l'efficacité de notre stratégie pour l'immobilisation de ce type de molécules. Nous avons également montré que l'utilisation d'une surface hydrophile (PEG) améliore sensiblement le bruit de fond.

This thesis deals with the design and the fabrication of microfluidic devices in PDMS (Polydimethylsiloxane) for biological applications. A microfluidic environment is first fabricated and basic tools are improved: a passive method that enables drawing up liquids in PDMS micro-channels is presented and was patented. Micro-pumps, a key element for complex architecture are studied from both an experimental and a theoretical point of view. Thanks to this study, performances are improved and a predictive model based on an electronic equivalence is described (published in \textit{Journal of Applied Physics}). Besides, hydrodynamic dispersion that leads to unwilling dilution of analyte during transport is studied for the particular case of micro-channels. From this study, a new method of production of concentration gradients is both theoretically and experimentally described. From this work, an original microfluidic plate-form that integrates DNA microarrays in a precisely controlled environment in term of temperature, micro-flow and real time measurements is described. Thanks to this new set up, DNA hybridization on chip and under bulk conditions are compared and results complete recent developments on the physic of hybridization on chip. Moreover, a model that describes the coupling phenomena of reaction-diffusion-advection is experimentally extended to DNA microarrays. Finally in collaboration with IGH (Institut de Génétique Humaine) in Montpellier, two new methods that measure allele ratio for the genetic disease; Ce travail de thèse présente la conception et la réalisation de dispositifs microfluidiques en PDMS (Polydiméthylsiloxane) pour l'intégration d'analyses biologiques. Dans un premier temps, des outils microfluidiques sont construits et améliorés dans ce but: une méthode de pompage passif et de mise en oeuvre du PDMS a fait l'objet d'un dépôt de brevet. Les micro-pompes, éléments clés d'une intégration poussée, sont étudiées expérimentalement et théoriquement, menant à un modèle prédictif basé sur une équivalence électrique. Ce travail a été publié dans \textit{Journal of Applied Physics}. La dispersion hydrodynamique, diluant les échantillons lors de leur transport est caractérisée. De cette analyse, une nouvelle méthode de génération de gradients de concentration est conçue et testée expérimentalement. Fort de ces développements, une plate-forme microfluidique originale intégrant des puces à ADN est fabriquée en une version de laboratoire et une version portable. Grâce à ce dispositif, les connaissances de la réaction d'hybridation sur une surface, base des puces à ADN, sont complétées par des mesures comparées de courbes de fusion et un modèle de couplage réaction-diffusion-advection est étendu expérimentalement au cas des puces à ADN. Finalement dans le cadre d'une collaboration avec l'IGH (Institut de Génétique Humaine) de Montpellier, deux méthodes originales de dosage d'allèles pour la trisomie 21 sont testées et des expériences sur des échantillons biologiques sont en cours de préparation. En conclusion, cette thèse a donné lieu au dépôt d'un brevet et à la publication deux articles. Elle aura abouti à la mise en oeuvre de méthodes et approches originales basées sur la technologie microfluidique, appliquées à différents domaines (dispersion, pompage, puce à ADN).

This thesis deals with the design and the fabrication of microfluidic devices in PDMS (Polydimethylsiloxane) for biological applications. A microfluidic environment is first fabricated and basic tools are improved: a passive method that enables drawing up liquids in PDMS micro-channels is presented and was patented. Micro-pumps, a key element for complex architecture are studied from both an experimental and a theoretical point of view. Thanks to this study, performances are improved and a predictive model based on an electronic equivalence is described (published in \textit{Journal of Applied Physics}). Besides, hydrodynamic dispersion that leads to unwilling dilution of analyte during transport is studied for the particular case of micro-channels. From this study, a new method of production of concentration gradients is both theoretically and experimentally described. From this work, an original microfluidic plate-form that integrates DNA microarrays in a precisely controlled environment in term of temperature, micro-flow and real time measurements is described. Thanks to this new set up, DNA hybridization on chip and under bulk conditions are compared and results complete recent developments on the physic of hybridization on chip. Moreover, a model that describes the coupling phenomena of reaction-diffusion-advection is experimentally extended to DNA microarrays. Finally in collaboration with IGH (Institut de Génétique Humaine) in Montpellier, two new methods that measure allele ratio for the genetic disease; Ce travail de thèse présente la conception et la réalisation de dispositifs microfluidiques en PDMS (Polydiméthylsiloxane) pour l'intégration d'analyses biologiques. Dans un premier temps, des outils microfluidiques sont construits et améliorés dans ce but: une méthode de pompage passif et de mise en oeuvre du PDMS a fait l'objet d'un dépôt de brevet. Les micro-pompes, éléments clés d'une intégration poussée, sont étudiées expérimentalement et théoriquement, menant à un modèle prédictif basé sur une équivalence électrique. Ce travail a été publié dans \textit{Journal of Applied Physics}. La dispersion hydrodynamique, diluant les échantillons lors de leur transport est caractérisée. De cette analyse, une nouvelle méthode de génération de gradients de concentration est conçue et testée expérimentalement. Fort de ces développements, une plate-forme microfluidique originale intégrant des puces à ADN est fabriquée en une version de laboratoire et une version portable. Grâce à ce dispositif, les connaissances de la réaction d'hybridation sur une surface, base des puces à ADN, sont complétées par des mesures comparées de courbes de fusion et un modèle de couplage réaction-diffusion-advection est étendu expérimentalement au cas des puces à ADN. Finalement dans le cadre d'une collaboration avec l'IGH (Institut de Génétique Humaine) de Montpellier, deux méthodes originales de dosage d'allèles pour la trisomie 21 sont testées et des expériences sur des échantillons biologiques sont en cours de préparation. En conclusion, cette thèse a donné lieu au dépôt d'un brevet et à la publication deux articles. Elle aura abouti à la mise en oeuvre de méthodes et approches originales basées sur la technologie microfluidique, appliquées à différents domaines (dispersion, pompage, puce à ADN).

The invention of µTAS concept (micro total chemical analysis system) in the early nineties introduced fluids in the microsystems world. A lab on chip integrates all the functions of a macroscopic laboratory (handling, mixing, heating liquids, filtering, separating, detecting molecules etc.) on a small surface (typically a few square centimetres). The technological challenge lies on the coupling between a conventional microsystem and a microfluidic network. As silicon and glass processes have been widely used in the nineties, they demonstrated major drawbacks: incompatibility of silicon technologies with high electric fields required for electrophoretic separations and/or electroosmotic pumping, inadequate technologies for large surfaces processing, integration issues in a complete system, high cost of the materials and associated processes, etc. The proposed solution in this thesis consist on directly constructing the microfluidic network above the conventional microsystem in photosensitive resists (SU-8), making easier the integration and allowing 3D structures fabrication with an excellent level to level alignment. Microfluidic characterization tools developed and used during this work are presented. Surface effects becoming essential at this scale, a generic modification strategy of physicochemical properties of SU-8 is proposed and characterized.; Linvention du concept de µTAS (micro total chemical analysis system) au début des années quatre vingt dix a ouvert aux fluides la porte du monde des microsystèmes. Un laboratoire sur puce intègre toutes les fonctions dun laboratoire macroscopique (déplacer, mélanger, chauffer des liquides, filtrer, séparer, détecter des molécules, etc.) sur une petite surface (typiquement quelques centimètres carrés). Le challenge technologique repose sur le couplage entre un microsystème conventionnel et un réseau microfluidique. Si les procédés silicium et verre ont été largement utilisés durant les années quatre vingt dix, ils présentent plusieurs inconvénients rédhibitoires : incompatibilité des technologies silicium avec les forts champs électriques nécessaires pour les séparations électrophorétiques et/ou le pompage électroosmotique, technologies non adaptées pour des grandes surfaces, difficultés dintégration dans un système complet, prix élevé des matériaux et des procédés associés, etc. La solution explorée dans cette thèse consiste à construire directement le réseau microfluidique sur un microsystème conventionnel dans des résines photosensibles (SU-8), ce qui facilite lintégration et autorise la fabrication de structures 3D avec un excellent alignement niveau à niveau. Les outils de caractérisation microfluidique développées et utilisés dans le cadre de ce travail sont présentés. Les effets de surface étant fondamentaux à cette échelle, une stratégie générique de modification des propriétés physicochimiques de la SU-8 est proposée et caractérisée.

Jury : President : E. Charlaix; Rapporteurs : P. Renaud, J.-L. Viovy ; Examinateurs : A. Ajdari, V. Cabuil, P. Tabeling.; This manuscript is divided in two introductory chapters and three main parts : (I) The aggregation of paramagnetic particles in the presence of an hydrodynamic shear is studied experimentally. Chains formed growth linearly with time following a theoretical model based on Smoluchovsky equation. (II) Theoretical works extend electrokinetics relations in order to describe various situations proposed by microfluidics devices. Symetries between electroosmosis and streaming current is prooved. Thin Debye Layer approximation is extended to streaming current and applied to describe electrical and velocity field in typical geometries. (III) A “lab on a chip” is presented allowing identification of protein sample. The first level performs electrophoretic separation. The second digests selected proteins using an enzyme. Peptides obtained are then analyzed by mass spectrometry.; Après deux chapitres introductifs, ce manuscrit est divisé en trois parties independantes. (I) Nous étudions l'influence du cisaillement sur l'agrégation de particules paramagnétiques soumises à un champ magnétique parallèle à l'écoulement. Nous montrons que les chaines formées croissent linéairement suivant un modèle utilisant l'équation de Smoluchovsky. (II) Une étude théorique est menée afin d'étendre aux situations expérimentales rencontrées en microfluidique les relations décrivant les phénomènes électrocinétiques. Les symétries entre courant d'écoulement et électroosmose sont démontrées. L'approximation de couche de Debye fine est appliquée au courant d'écoulement puis utilisée pour décrire les structures des courants électriques et hydrodynamiques dans des géométries modèles. (III) Un système d'analyse de protéines est présenté, permettant l'identification d'un mélange de protéines. Il comporte un étage de séparation électrophorétique suivi d'une digestion enzymatique.

Jury : President : E. Charlaix; Rapporteurs : P. Renaud, J.-L. Viovy ; Examinateurs : A. Ajdari, V. Cabuil, P. Tabeling.; This manuscript is divided in two introductory chapters and three main parts : (I) The aggregation of paramagnetic particles in the presence of an hydrodynamic shear is studied experimentally. Chains formed growth linearly with time following a theoretical model based on Smoluchovsky equation. (II) Theoretical works extend electrokinetics relations in order to describe various situations proposed by microfluidics devices. Symetries between electroosmosis and streaming current is prooved. Thin Debye Layer approximation is extended to streaming current and applied to describe electrical and velocity field in typical geometries. (III) A “lab on a chip” is presented allowing identification of protein sample. The first level performs electrophoretic separation. The second digests selected proteins using an enzyme. Peptides obtained are then analyzed by mass spectrometry.; Après deux chapitres introductifs, ce manuscrit est divisé en trois parties independantes. (I) Nous étudions l'influence du cisaillement sur l'agrégation de particules paramagnétiques soumises à un champ magnétique parallèle à l'écoulement. Nous montrons que les chaines formées croissent linéairement suivant un modèle utilisant l'équation de Smoluchovsky. (II) Une étude théorique est menée afin d'étendre aux situations expérimentales rencontrées en microfluidique les relations décrivant les phénomènes électrocinétiques. Les symétries entre courant d'écoulement et électroosmose sont démontrées. L'approximation de couche de Debye fine est appliquée au courant d'écoulement puis utilisée pour décrire les structures des courants électriques et hydrodynamiques dans des géométries modèles. (III) Un système d'analyse de protéines est présenté, permettant l'identification d'un mélange de protéines. Il comporte un étage de séparation électrophorétique suivi d'une digestion enzymatique.

Imagine a small integrated biomedical analysis laboratory, connected to your home computer, which would be capable of diagnosing illnesses, a lack of vitamins, or the over-presence of substances from samples of blood, urine or saliva. This hypothetic system would be able to give a diagnosis within minutes, finally advising the user about the optimal targeted medicines to take or the right specialist to consult for fast recovery. Of course this system will not be ready in the near future, but this thesis aims to bring some new elements to this exciting project by investigating the diffusion of proteins in well-defined nanometer-sized confined areas. Understanding molecular dynamics in nanoconfinement volumes is fundamental for designing the appropriate lab-on-a-chip devices able to transport, pre-concentrate, separate and sense biomolecules. However, a multitude of phenomena occurring at the nanoscale are still to be discovered and currently, there is a lack of accurate theoretical models to predict the transport of proteins in nanofluidics. Based on measurements performed in 50 nm high 1D nanochannels, where the surface-to-volume ratio is extremely high, protein-surface interactions were initially investigated. Using electrical measurements, the adsorption and desorption kinetics of highly concentrated bovine serum albumin proteins was characterized in different scenarios. Ionic strength conditions were identified, where the electrical conductance is dominated by volume effects due to the adsorbed or bound proteins, leading to potential applications of rapid immunology on-chip. Other situations, where the protein charges were directly influencing the nanochannel conductance, were also highlighted, giving a better understanding of how the adsorbed proteins counterions modify the surface charges. Furthermore, the transport of single proteins diffusing through nanochannels was analyzed using fluorescence correlation spectroscopy. Direct measurements inside nanochannels has allowed the identification of different regimes of interacting proteins, depending on the thickness of the electrical double layer (constituted of immobile ions which equilibrate the surface charges). Taking into account the steric exclusion due to the small channel size, the reversible surface adsorption, and the exclusion-enrichment effect due to the charge of the proteins and ionic strength of the solution, novel theoretical models describing the hindered diffusion of proteins were elaborated. Conditions where the diffusion of proteins through the nanochannels were of the same magnitude as in the bulk were both predicted and experimentally verified. Finally, a novel method is presented to measure the apparent diffusion coefficients of fluorescently-labeled molecules directly inside a nanofluidic system. This technique, based on steady-state dispersion of proteins in a transversal nanoslit, demonstrates that under specific ionic conditions, the apparent diffusion coefficient of wheat germ agglutinin proteins is four orders of magnitude lower than its free diffusion value. Based on this system, the binding affinity of two different proteins was directly measured, demonstrating the potential of this method to be used as a biosensor for quantifying rapid protein complex formation. This thesis mainly deals with fundamental studies related to surface physics and physical chemistry applied to life sciences. The work points out novel, important, experimentally-verified complements to define solid theoretical models, in order to go forward with the design of complex nanofluidic systems applied to biomedical and biological applications.