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Microfluidic technology has gained significant scientific interest in the characterization of crude oil emulsions that are often formed in the process of oil production. Microfluidic platforms can be used to mimic the pores of natural rock and study multiphase displacement, as well as emulsion formation at a microscale level. This paper focuses on the applications of microfluidics to probe the stability of emulsified droplets against coalescence (e.g., in the presence of additives, electric field) for both water-in-oil (W/O) and oil-in-water (O/W) emulsion systems. Additionally, this study summarizes the recent efforts made to identify the effects of various experimental factors, including crude oil composition, aging, salinity, and pH on the interfacial properties of water–oil interface and their ultimate roles in the formation and stability of emulsions. Finally, main findings and some recommendations for future work related to the potential of microfluidics in different aspects of crude oil emulsion studies are discussed.

Most of the active pharmaceutical ingredients (API) can exist, in the solid state, under several crystalline phases (polymorphs, solvates, cocristals…). These phases have different physicochemical properties, which can affect the drug efficacy and its manufacturing process. In the pharmaceutical industry, a solid-state screening is thus carried out in the early stages of a drug development, to identify the existing phases and choose the one to develop. At this step, only a small amount of raw material is available, reducing the number of experiments. Droplet microfluidics is used to reduce the crystallization volumes to nanoliter scale, and thus the amount of product. This makes it possible to increase the number of experiments, bringing a statistical approach to address the stochasticity of nucleation.This thesis presents the development of a modular microfluidic platform, easy to use and compatible with most solvents, for solid-state screening of active pharmaceutical ingredients and fundamental nucleation studies. It enables to generate saturated solutions and droplets starting from powder and their characterization, to measure solubility, to crystallize API by cooling or non-solvent addition processes and to monitor nucleation in time and as a function of the temperature to establish global statistics on nucleation (all phases included). Lastly, the different phases are identified in situ by Raman spectroscopy to perform phase to phase statistics.; La plupart des principes actifs pharmaceutiques peuvent exister à l’état solide sous différentes phases cristallines (polymorphes, solvates, cocristaux…). Celles-ci ont des propriétés physico-chimiques différentes, pouvant affecter l’efficacité d’un médicament, ainsi que son procédé de fabrication. Dans l’industrie pharmaceutique, un criblage de l’état solide a donc lieu dès les premières étapes du développement d’un médicament, afin d’identifier les phases existantes et choisir celle qui sera développée. A ce stade du développement, seulement une petite quantité de produit est disponible, limitant ainsi le nombre de tests réalisés. La microfluidique à base de gouttes permet de réduire les volumes de cristallisation à quelques nL, et donc les quantités de matière nécessaires. Il est ainsi possible de multiplier les expériences, apportant un point de vue statistique afin de répondre à la stochasticité du phénomène de nucléation.Cette thèse présente le développement d’une plateforme microfluidique modulable utilisant des composants compatibles avec la majorité des solvants et facile d’utilisation, pour le criblage de l’état solide de molécules pharmaceutiques et des études fondamentales sur la nucléation. Elle permet de générer des solutions saturées et des gouttes à partir de poudre et de les caractériser, mesurer des solubilités, cristalliser des principes actifs dans les gouttes par refroidissement ou ajout d’un non-solvant et suivre la nucléation au cours du temps et de la température afin d’établir des statistiques globales de nucléation (toutes phases confondues). Enfin, les différentes phases obtenues sont caractérisées in situ par spectroscopie Raman afin d’établir des statistiques de nucléation phase par phase.

Prior to their analysis, crude DNA samples have to be processed through consecutive steps of purification, concentration, and size selection. These steps generally involve a number of time-consuming and low-yield tools, which are most often based on affinity columns and/or fractioning by gel electrophoresis. The fraction of DNA circulating in the blood is considered to be a promising biomarker, but its preparation is suffering from many of the aforementioned pitfalls because it is highly diluted, distributed in size (between 100 and 2000 base pairs (bp)), and solubilized in complex biofluids with salts and proteins.The µLAS technology, which consists in conveying DNA molecules in electrohydrodynamic viscoelastic flows, has shown a great potential for DNA analysis with a sensitivity of 1 fg/µL. It is however limited in throughput because its analytical flow rate is 1 µL/min. In this PhD, we aimed at intensifying the potential of µLAS for purification by parallelizing this technology. For this, we used a format based on an isoporous membrane integrated within a 3D printed macrometric system, which offers a platform to operate hundred of thousand of channels simultaneously. We report a high throughput associated to a flow rate of 300 µL/min, and demonstrate efficient processing of a few mL of solution in the range of 200 bp to 50 kbp, with a concentration of up to 10 times, a size accordable DNA size selection threshold, and the purification of salts in a process of less than ten minutes. It also has the advantage to be functional at low amplitudes of actuation : a pressure lower than 2 bar and a voltage lower than 50 V making it easily accessible. Finally, we discuss its application potential for the preparation of sequencing samples.; La préparation d’un échantillon d’ADN est une étape obligatoire de sa chaîne analytique. Réalisée concomitamment ou postérieurement à l’extraction d’ADN de l’organisme ciblé, la préparation inclut une étape de concentration voire de fractionnement en fonction de la taille des chaînes d’ADN. Les outils de préparation d’ADN sont le plus souvent fondés sur des colonnes de silice et quelques fois aussi l’électrophorèse sur gel. Ils sont laborieux en temps de main d’œuvre et leur rendement pas toujours au rendez-vous. Ces considérations sont particulièrement critiques pour la préparation de l’ADN circulant dans le sang, un biomarqueur prometteur, car il est très dilué, présentant des tailles variées de petits fragments de 100 pb (paires de bases) à plus de 2 kpb et dissous dans des fluides biologiques complexes avec des sels et des protéines.Nous avons investigué le potentiel de la technologie µLAS pour la préparation d’ADN. Fondée sur la migration d’ADN dans un fluide viscoélastique et sous écoulement électro-hydrodynamique, elle permet d’analyser des solutions complexes avec des sensibilités au fg/µL. Cela dit, son débit actuel de quelque µL/min n’est pas adapté à préparation d’ADN. Aussi, nous avons parallélisé µLAS avec une membrane isopore intégrée à un système macrométrique imprimé en 3D pour atteindre des performances adaptées à la purification à travers des centaines de milliers de canaux microfluidiques en simultané. Nous avons réalisé le traitement haut débit (300 µL/min) de quelques mL d’ADN dans une gamme de taille comprise entre 200 paires de bases (pb) et 50 kpb, avec une concentration jusqu’à 10 fois et la purification des sels. Le procédé, d’une durée inférieure à dix minutes, présente également l’avantage de fonctionner à faibles amplitudes d’actionnement : une pression inférieure à 2 bar et une tension inférieure à 50 V rendant cette technologie facilement accessible. Pour terminer, nous discutons le potentiel de notre technologie pour la préparation d’échantillons pour leur caractérisation par séquençage.

National audience; The filamentous yeast Candida albicans is a benign member of the healthy human microbiota but can also turn into an opportunistic pathogen in immunocompromised patients. The morphological plasticity of C. albicans is a major virulence factor. Hyphae i.e. elongated multi-cellular invasive filaments, and unicellular ovaloid yeasts, respectively participate toinvasion and dissemination in the tissues and bloodstream. The reversible yeast-to-hypha phenotypic switches depend on the physicochemical properties of C. albicans environment, notably pH, temperature and growth factors. C. albicans also secretes farnesol, a quorum-sensing molecule that is involved in inhibiting hyphal induction.In contrast to the impact of chemical parameters, little is known about how mechanical forces affect the growth phenotype. To this end, we have developed dedicated microfluidic devices allowing both live-cell imaging and high-throughput experiments to quantify the impact of compressive stress on the yeast-to-hypha transition. The principle of our devices isbased on the emergence of growth-induced pressure when cells proliferate in confined space.Using these devices, we observed expression of the hyphal-specific gene HWP1 under small compressive stress intensities. Yeast-to-hypha transition probability in the confined population seems modulated by the concentration of secreted farnesol and cell-division rate under pressure. To describe the local accumulation of farnesol in the dense population, wepropose a theoretical model of 1D advection-diffusion in a porous medium, based in particular on the Kozeny-Carman approximation. The results obtained suggest a significant underestimation of the hydrodynamic resistance of the porous material. This limitation opens new questions about the transport in a porous environment, composed of deformable and growing yeasts. The model predicts the temporal dynamics when advection is effective. Our results suggest that, taking inhibition into account, the efficiency of induction by pressure is as strong as a known inductive stress such as the addition of serum at 37°C.Single-cell characterization of HWP1 gene expression suggests a regulated mechanism during induction that compensates for biophysical pressure limitation. Single-cell reporter expression also showed that higher compressive stress values (hundreds of kPa) limits hyphal-growth maintenance. In contrast, observation of hyphae in a second uncompressed chamber showed that hyphal epigenetic program is maintained upon mechanical relaxation. Together, the results of this thesis suggest that growth-induced pressure promotes phenotype change in C. albicans, and that this transition is stable. These results pave the way for the investigation of the mechanical regulation of the yeast-to-hypha transition and its link with the pathogenicity of C. albicans.; La levure filamenteuse Candida albicans est un membre bénin du microbiote chez l'humain en bonne santé. Cependant, cet organisme peut devenir un pathogène opportuniste, particulièrement chez les patients immunodéprimés. La plasticité morphologique de C. albicans est un facteur majeur de sa virulence. Les hyphes, de longs filaments multicellulaires et invasifs, et les levures unicellulaires de forme ovaloïde, supportent respectivement l'invasion et la dissémination dans les tissues et le système sanguin. La transition de phénotype réversible levure-vers-hyphe dépend de multiples paramètres physico-chimiques de l'environnement de Candida, notamment le pH, la température et des facteurs de croissance. C. albicans sécrète également du farnésol, une molécule de quorum-sensing qui est impliquée dans l'inhibition de l'induction hyphale. Contrairement à l'impact des paramètres chimiques, la manière dont les for! ces mécaniques peuvent affecter le phénotype adopté reste peu renseignée. Nous avons utilisé des dispositifs microfluidiques permettant l'imagerie de cellules vivantes et des expériences à haut débit afin de quantifier l'impact de contraintes compressives sur la transition levure-hyphe. Le principe de ce dispositif repose sur l'émergence de la pression induite par la croissance des cellules sous confinement spatial. En utilisant ces dispositifs, nous avons observé l'expression d'un gène spécifique à la croissance hyphale (HWP1) sous de faibles intensités de forces compressives. La probabilité d'induction levure-hyphe dans la population confinée semble modulée par la concentration de farnésol sécrété, et par le taux de division sous pression. Pour décrire l'accumulation locale de farnésol dans la population dense, nous proposons un modèle théorique d'advection-diffusion 1D en milieu poreux reposant notamment sur l'approximation de Kozeny-Carman. Les ! résultats obtenus suggèrent une sous-estimation importante de la résistance hydrodynamique du poreux. Cette limitation ouvre de nouvelles questions sur le transport dans un poreux constitué de levures déformables et en croissance. Le modèle prédit la dynamique temporelle lorsque l'advection est efficace. Nos résultats suggèrent qu'en dehors de toute inhibition, l'efficacité d'induction par la pression est aussi forte qu'un stress inductif connu tel que l'addition de sérum à 37°C. La caractérisation de l'expression du gène HWP1 en cellule-unique suggère que la dynamique d'induction est régulée et compense la limitation biophysique de la pression. En parallèle, la maintenance du programme épigénétique hyphal semble limitée sous plus forte pression (centaine de kPa) via un ralentissement de la croissance. En revanche, la croissance hyphale est maintenue lorsque les hyphes accèdent à un second compartiment permettant la relaxation mécanique. Ensemble, ! les résultats de cette thèse suggèrent que la pression induite par l! a croissance confinée favorise le changement de phénotype chez C. albicans et que cette transition est stable. Ces résultats ouvrent la voie à de nouvelles investigations sur la régulation par la mécanique de cette transition et son lien avec la pathogénicité de C. albicans.

The dynamics of drops in a confined environment in a Hele-Shaw cell is an old problem. It has been shown that these dynamics depend on the conditions at the interface between the drop and the external phase that pushes it. We have come, through a double experimentation, to measure both velocities of the problem: namely the velocity of the drop and the velocity of the carrier phase, and at the same time, using an interferometric device, to measure the thickness of the lubrication films. This first measurement allowed us to highlight an inversion of the dependence of the velocity of the drop on its radius, as well as the relevant parameter driving this inversion. The second measurement, that of film thickness, also shows the signature of an interfacial effect observed in the lubrication film as a function of this parameter. Finally, a model taking into account the 3D geometry of a Hele-Shaw cell and considering the lateral flows present on the sides of the drop is presented. This model shows a striking agreement with our experimental data, which confirms that these flows are responsible for the two effects observed experimentally : inversion of the radius dependence and localized thickening.; La dynamique de gouttes en milieu confiné, dans une cellule de Hele-Shaw est une problématique ancienne. Il a été montré que cette dynamique dépend des conditions à l’interface entre la goutte et la phase externe qui la pousse. Nous venons, au travers d’une double expérimentation, à la fois mesurer les deux vitesses du problème : à savoir la vitesse de la goutte et la vitesse de la phase porteuse, et à la fois, à l’aide d’un dispositif interférométrique, mesurer l’épaisseur des films de lubrifications. Cette première mesure nous a permis de mettre en évidence une inversion de la dépendance de la vitesse de la goutte avec son rayon, ainsi que le paramètre pertinent pilotant cette inversion. La seconde mesure, celle d’épaisseur des films, montre également la signature d’un effet interfaciale observé dans le film de lubrification en fonction de ce paramètre. Enfin, un modèle prenant en compte la géométrie 3D d’une cellule de Hele-Shaw et considérant les écoulements latéraux présents sur les côtés de la gouttes est présenté. Ce modèle présente un accord saisissant avec nos données expérimentales, ce qui nous conforte dans l’idée que ces écoulements sont responsables des deux effets observés expérimentalement : inversion de la dépendance en rayon et épaississement localisé.

During cell proliferation, the maintenance of genetic information is essential. In bacteria, replication and segregation are concomitant. Replication starts at the single, bidirectional origin of replication of bacterial chromosomes. Two replication arms are then defined, and replication ends in a region diametrically opposite to the origin, the terminus. As replication progresses, the newly replicated sister chromosomes migrate to opposite cell compartments. However, microscopic observations suggest that there is a delay between replication and segregation, and that this delay varies along the length of chromosomes. The delay between replication and segregation of the sister copies of a genomic position is referred to as sister chromatid cohesion. During my PhD, I used the high-resolution tool that allows for a genome-wide analysis of Sister Chromatid Cohesion (High-SC2) and studied the cohesion profile of the model organism Vibrio cholerae. It has been shown in E. coli that the cohesion responsible for the variation of segregation speed is modulated by Topoisomerase IV, a major decatenating enzyme. One of the identified partners of this decatenase is an SMC complex, MukBEF. Cells carrying a mukB deletion show a production of anucleate cells, and a mispositioned origin of replication. Chromosome segregation is impaired, and therefore sister chromatid cohesion is increased overall. The Topo IV-MukBEF interaction is regulated by MatP, which seems to displace MukBEF from the terminus of replication, facilitating the association of the MukBEF complex with the origin of replication. I therefore decided to investigate the role of MukB, in the formation of the long-range patterns of cohesion in V. cholerae. Using genetic approaches coupled with the High-SC2 assay, I demonstrated that the deletion of mukB leads to an increase in cohesion on Chr1, especially on its left replication arm, far from the origin. These results suggested that MukB does not preferentially act on specific regions and that the differential effect of the mukB deletion on Chr1 and Chr2 is probably linked to differences in their origin of replication and/or partition systems. Previous observations in the lab have in fact shown that a double deletion of MukB and ParAB1 leads to a strong phenotype, thus I investigated its effect on the cohesion profile. My results show an additional increase of cohesion in Chr1 near the ori, suggesting that the partitioning system acts on the decohesion of the ori domain while MukB acts on the chromosomal arms. In addition, it has been shown that MatP kept the sister-copies of the ter domain of Chr1 together until cell division. I used the Hi-SC2 assay to study its role in the increased cohesion of this region. I showed that MatP was responsible for the cohesion of the ter1 domain at cell division not behind the replication fork, unlike MukB. My results have also shown that it is the density of the matS sites located on the ter domain of each chromosome that influence the level of cohesion of these domains., La maintenance de l'information génétique est essentielle pendant la prolifération cellulaire. Chez les bactéries, la réplication et la ségrégation sont concomitantes. La réplication débute à l'origine de réplication bidirectionnelle du chromosome bactérien. Deux bras de réplications sont ensuite définis, et la réplication se termine dans la région diamétralement opposée à l'origine, le terminus. Alors que la réplication progresse, les chromatides sœurs nouvellement répliquées migrent vers des côtés opposés de la cellule. Cependant, des observations par microscopie suggèrent qu'il existe un délai entre la réplication et la ségrégation qui varie le long du chromosome. Ce délai entre la réplication et ségrégation des chromatides sœurs est appelé cohésion des chromatides sœurs. Pendant ma thèse, j'ai utilisé l'outil de haute-résolution qui permet une analyse de la cohésion du génome entier (High-SC2) pour étudier le profil de cohésion de l'organisme modèle Vibrio cholerae. Il a été démontré chez E. coli que la cohésion responsable de la variation de la vitesse de ségrégation est modulée par Topoisomérase IV, une enzyme de décaténation majeure. L'un des partenaires identifiés de cette décaténase est le complexe SMC, MukBEF. Les cellules portant une délétion de mukB montrent une production de cellules anucléées, ainsi qu'une origine de réplication mal positionnée. La ségrégation des chromosomes est affectée, et la cohésion des chromatides sœurs est augmentée. L'interaction Topo IV-MukBEF est régulée par MatP qui chasserait MukBEF du terminus de réplication, facilitant ainsi l'association de MukBEF à l'origine de réplication. J'ai donc décidé d'étudier le rôle de MukB dans la formation des motifs de cohésion chez V. cholerae. Grâce à des approches génétiques couplées à l'outil High-SC2, j'ai pu démontrer que la délétion de mukB mène à une augmentation de la cohésion sur le Chr1, plus précisément sur le bras gauche, assez loin de l'origine. Mes résultats suggèrent que MukB n'agit pas préférentiellement sur des régions spécifiques, mais que ces effets différents sur les deux chromosomes de cet organisme sont dus aux différences dans leurs origines de réplication et/ou leurs systèmes de partition. De précédentes observations dans notre laboratoire ont montré qu'une double délétion de MukB et ParAB1 cause un phénotype sévère, plus important que les délétions individuelles, j'ai donc étudié les conséquences de cette double délétion sur le profil de cohésion. Mes résultats montrent une augmentation additionnelle de la cohésion dans le Chr1 près de l'origine, suggérant ainsi que le système de partition agit sur la décohésion sur le domaine de l'origine pendant que MukB agit sur le reste du chromosome. Il a été également montré que MatP retardait la ségrégation des chromatides soeurs du terminus de réplication du Chr1. J'ai utilisé le même outil qui m'a permis d'étudier le rôle de MatP dans la cohésion de cette région. J'ai pu montrer que MatP était responsable de cette cohésion uniquement au moment de la division cellulaire et non pas pendant la réplication contrairement à MukB. Mes résultats montrent également que la densité des matS présents dans le domaine ter de chaque chromosome qui influent sur la cohésion de ce même domaine.

Un défi majeur en oncologie clinique est de caractériser avec précision la réponse des patients aux agents thérapeutiques. Actuellement, il n'existe pas de modèles et de tests fiables capable de reproduire précisément une tumeur primaire dans toute sa complexité. Or, ce paramètre est essentiel pour mettre en œuvre une stratégie de médecine personnalisée capable d'identifier le régime de traitement le plus approprié pour un patient particulier dans un délai cliniquement pertinent. Pour répondre à ce besoin, notre groupe a développé un nouveau modèle 3D ex vivo qui repose sur la micro-dissection d'un échantillon de tumeur (MDT) d'un patient et l'utilisation de technologies microfluidiques pour maintenir la viabilité du tissu et le microenvironnement tumoral naturel afin d’évaluer la sensibilité aux traitements dans un délai adapté à la prise de décision clinique. Cette approche permettrait de sélectionner les thérapies les plus efficaces tout en réduisant l'administration de traitements inefficaces associés à des effets secondaires indésirables, ainsi que les coûts de prise en charge des patients. Des travaux précédemment publiés par notre équipe ont montré que la viabilité des cellules cancéreuses situées dans notre modèle de tumeur ex vivo pouvait être caractérisée par microscopie confocale sur l’intégralité du MDT ou par cytométrie de flux sur les MDTs après dissociation enzymatique des cellules. Cependant, ces techniques présentent des limitations en termes de résolution visuelle pour la microscopie confocale et de sensibilité et information spatiale pour la cytométrie de flux. Nous proposons ici d’associer notre modèle 3D de MDTs en microfluidiques à des techniques d’immuno-histopathologie, dans le but d’offrir une évaluation moléculaire, spatiale et quantitative de la réponse de la tumeur au traitement. Pour cela, nous avons optimisé une procédure de lithographie en paraffine de nos systèmes microfluidiques, permettant la production de blocs de micro-étalages micro-réseaux de tissus micro-disséqués (MDTMA). afin de permettre une coloration morphologique du tissu et un marquage de protéines spécifiques pour analyser l'architecture tissulaire, la prolifération et l’apoptose cellulaire au sein des échantillons traités. En outre, nous avons montré que le modèle ex vivo est comparable et corrélé au système de modèle de souris in vivo de référence pour l'essai de chimio-sensibilité. Suite à l’optimisation de ce modèle, nous avons collecté 25 échantillons de tumeurs de patientes atteintes de cancer de l’ovaire, pour réaliser des MDTs et des cultures de cellules primaires afin de comparer les profils transcriptomiques de ces deux modèles avec celui de la tumeur d’origine, et d'analyser les réponses aux traitements et le microenvironnement tumoral. Les données transcriptomiques obtenues par micropuces ARN nous ont permis d'effectuer une analyse bio-informatique des voies de signalisation incluant un groupement hiérarchique non supervisé. Nos résultats montrent que les MDT à chaque point de temps (jour 0, 8 et 15) sont génétiquement similaires à la tumeur primaire par opposition aux cultures cellulaires primaires, et que les principales voies dérégulées sont impliquées dans la réponse cellulaire au stress. Nous avons observé une viabilité élevée des cellules au sein des MDT sur une période de culture de 15 jours. En outre, nous avons déterminé qu'un régime de chimiothérapie (carboplatine et paclitaxel) consistant en une induction thérapeutique de 10 heures suivie d'une période de récupération de 14 heures était idéal pour caractériser la réponse au traitement. Notre analyse de prédiction de la réponse des patients montre que nous avons une corrélation positive élevée d'une efficacité de 95 % entre la réponse ex vivo et la réponse clinique pour les patients appariés. En général, nos résultats suggèrent que notre technique fournit un modèle plus sophistiqué et précis pour récapituler la réponse de la tumeur primaire dans un laps de temps cliniquement adapté, et pourrait servir de plateforme pour tester de nouvelles thérapeutiques, et d'outil d'orientation clinique pour la réponse des patients., A major challenge in clinical oncology is the inability to accurately predict the patients’ response to therapeutic agents. Currently, there are no reliable models and assays available that reiterate the immense complexity of a primary tumor. These factors are important to implement a personalized medicine strategy capable of identifying the most suitable treatment regimen for a particular patient in a clinically relevant timeframe. To answer this need, our group has developed a novel ex vivo 3D model that relies on the micro-dissection of a patient’s tumor specimen and the utilization of microfluidic technologies to monitor drug sensitivity within a time-frame suitable for clinical decision-making. This approach would allow for better selection of effective therapies and limit the administration of ineffective treatments, further improving treatment outcome of patients while reducing cost and drug-induced toxicities. Previously published work studied that the viability of cancer cells located within the tumor was characterized using two imaging modalities: confocal microscopy and flow cytometry. However, each technique has its own disadvantage, limiting their ability to molecularly characterize the effect of therapeutic agents on cancer cells. Thus, we hypothesize that our 3D ex vivo tumor-derived model coupled to a pathology-like tool would allow for a more comprehensive approach to evaluate tumor response to treatment, providing a readout system to closely mirror the patient’s response, and evaluating molecular mechanisms involved in response to drugs. To address this hypothesis, we optimized a paraffin-embedding lithography procedure allowing the production of micro-dissected tissue micro-array (MDTMA) block to allow morphological and protein-specific staining to analyze the cellular integrity and tissue architecture of treated samples. In addition, we showed that ex vivo model is comparable and correlated to the gold standard in vivo mouse model system for chemosensitivity assay. Moreover, we collected, following informed consent, 25 post-surgical OC patient tumor samples, to form micro-dissected tissues (MDTs), and primary cell cultures for micro-array analysis and characterization of the TME and response prediction. The micro-array data allowed us to perform unsupervised hierarchical clustering and pathway analysis showing that the MDTs at each time-point (day 0, 8 and 15) are genetically similar to the primary tumor as opposed to the primary cell cultures and that main deregulated pathways are involved in cellular response to stress. We observed a high viability of cells within MDTs over a culture period of 15 days. In addition, we determined that a treatment regimen consisting of a 10-hour therapy induction followed by a 14-hour recovery period was ideal for characterizing carboplatin treatment response. Our response prediction analysis of patients shows that we have a high positive correlation of 95% efficiency between ex vivo and clinical response for matched patients. In general, our results suggest that our ex vivo drug response model provides a more sophisticated model to recapitulate primary tumor response in a clinically suitable timeframe that can be exploited further serving, in part, as a platform to test new therapeutics and as a clinical guidance tool for patient response.

In the semiconductor industry, effective wet cleaning of contamination is a critical factor in ensuring good quality of electronic products. The cycle between the wetting and drying processes can create several problems in the high aspect ratio micro / nanoscale structures. In this thesis work, we present the characterization of the dynamic wetting of fluids within Deep Trench Isolation (DTI) structures used in STMicroelectronics imaging sensors. This characterization uses an original technique of acoustic waves reflectometry at ultra-high frequencies. In order to obtain cleaning conditions as close as possible to those used in the industrial process, dynamic wetting is provided by a microfluidic channel made of PolyDiMethylSiloxane (PDMS) located at the level of the structures to be studied. An analytical numerical model based on 2D finite difference allowed us to simulate the acoustic interactions inside micro / nanostructures to better interpret the experimental results. In addition, the development of a technique for the automatic acquisition of the acoustic reflection coefficient has made it possible to study the rapid wetting processes of DTI structures. Finally, the kinematics of DTI drying was also studied with different liquids. Structural deformation phenomenon, known as "pattern collapse", was analyzed using scanning electron microscopy (SEM) images and correlated with acoustic measurements.; Dans l'industrie des semi-conducteurs, un nettoyage efficace des contaminations par voie humide est un facteur déterminant pour garantir la bonne qualité des produits électroniques. Le cycle entre les processus de mouillage et de séchage peut alors créer plusieurs problèmes dans les structures micro/nanométriques à rapport d'aspect élevé. Dans ce travail de thèse, nous présentons la caractérisation due mouillage dynamique de fluides au sein de structures "Deep Trench Isolation" (DTI) utilisés dans les capteurs imageurs de STMicroelectronics. Cette caractérisation utilise une technique originale de réflectométrie d'ondes acoustiques à ultra-hautes fréquences. Afin d'obtenir des conditions de nettoyage aussi proches que possible de celles utilisées dans le procédé industriel, le mouillage dynamique est assuré par un canal microfluidique réalisé en PolyDiMethylSiloxane (PDMS) localisé au niveau des structures à étudier. Un modèle numérique analytique basé sur les différences finies 2D nous a permis de simuler les interactions acoustiques à l'intérieur des micro/nanostructures pour interpréter au mieux les résultats expérimentaux. De plus, le développement d'une technique d'acquisition automatique du coefficient de réflexion acoustique a donné la possibilité d‟étudier les processus rapides de mouillage des structures DTI. Enfin, la cinématique de séchage des DTI a également été étudiée avec différents liquides. Des phénomènes de déformation des structures ("pattern collapse") ont été analysés à l'aide d'images de microscopie électronique à balayage (MEB) et corrélés avec les mesures acoustiques.

Since the discovery of ionizing radiation (radioactivity, X-rays, charged particles), the chemistry of water remains widely studied as it underlies many fields from nuclear industry to medicine. If interactions start at the atomic level, they have an impact at the molecular level and can affect the behavior of a living organism in the longer term. In order to understand and predict the impact of ionizing radiations, a precise description of the energy deposition in matter is necessary. Among ionizing events, core-ionizations are usually considered as most energetic events, bringing energy deposition of several hundreds of eV at the scale of an atom. However, they remain poorly described in condensed phase. The aim of this thesis is to use soft X-ray radiation (100 -10 keV) to trigger these K-shell events around different ionization thresholds by irradiating solvated biomolecules. This study first focused on irradiation of pure water, then in the presence of solvated salts to finally investigate the effect on molecules of biological interest. The originality of this multidisciplinary project lies in the association of physico-chemical technics (quantification of radiation-induced damage, development of irradiation devices for low-penetrating radiation) and physical approach (based on electron spectroscopy) to bring a multi-scale description.; Depuis la découverte des rayonnements ionisants (radioactivité, rayons X, particules chargées), la chimie de l'eau reste très étudiée car elle sous-tend de nombreux domaines, de l'industrie nucléaire à la médecine. Si les interactions commencent au niveau atomique, elles ont un impact au niveau moléculaire et peuvent affecter le comportement d'un organisme vivant à plus long terme. Afin de comprendre et de prévoir l'impact des rayonnements ionisants, une description précise du dépôt d'énergie dans la matière est nécessaire. Parmi les événements ionisants, les ionisations en couche interne sont généralement considérées comme les événements les plus énergétiques, entraînant un dépôt d'énergie de plusieurs centaines d'électronvolts (eV) à l'échelle d'un atome. Cependant, ils restent mal décrits en phase condensée. L'objectif de cette thèse est d'utiliser le rayonnement X basse énergie (100 -10 keV, dit X-mous) pour déclencher ces événements autour de différents seuils K d'ionisation par irradiation de biomolécules solvatées. Cette étude s'est d'abord focalisée sur l'irradiation de l'eau pure, puis en présence de sels métalliques en solution pour enfin étudier l'effet sur des molécules d'intérêt biologique. L'originalité de ce projet pluridisciplinaire réside dans l'association de techniques physico-chimiques (quantification des dommages radio-induits, développement de dispositifs d'irradiation pour les rayonnements à faible pénétration) et d'une approche physique (basée sur la spectroscopie électronique) pour aboutir à une description multi-échelle.

Droplet-based microfluidics allow the study of individual samples in nanoliter-sized compartments. The possibilities offered by the manipulation of droplets have been exploited in many fields such as single-cell biology, requiring massive parallelization and individual tracking.Moreover, there is a growing interest in studying protein samples at high concentrations to better understand the effect of macromolecular crowding, or to screen the viscosity of biopharmaceuticals under various conditions. In many cases, the scarcity and cost of such proteins limit or prohibit the use of standard rheological techniques. As such, there is a pressing need to lower the required sample volumeWe have designed a specific microsystem for investigating viscous features of various hydrophilic compounds. Our experimental strategy, combining microfluidics and emulsion droplets, allows in-situ production, selection and monitoring of water droplets in a PDMS chip.Droplet shrinking causes in-chip solute concentration by a factor of 400. During the concentration process, rheological study of the sample is made possible by continuous viscosity measurements in the range of 1-1000 mPa.s, allowing full characterization of biopharmaceuticals in just one experiment and requiring as low as 1 µL of dilute solution.After introducing the fields of high-concentration protein rheology and microfluidics, this manuscript presents the design and operating ways of our chip. More specifically, the minimization of required volume through the choice of step-dropmaking is detailed, as well as the use of pervaporation-induced shrinking for solute concentration, with discussion on the technical challenges posed by those choices.Subsequently, both the concentration monitoring and multi-particle tracking microrheology techniques are introduced, with a particular interest in quantitative error estimation at each step to evaluate the global precision of the system.Various validation experiments have been conducted, using calibrated samples such as sucrose or model globular proteins such as bovine serum albumin or lysozyme. Their results are used to showcase the capabilities of our experimental system and discuss its limits.After a conclusion summarizing the aforementioned work and opening new perspectives, an appendix gathers technical information and additional data such as detailed experimental protocols., La microfluidique en gouttes permet l’étude d’échantillons individuels dans des volumes de l’ordre du nanolitre. Les possibilités de parallélisation et de suivi individuel offertes par la manipulation de micro-gouttes ont été exploitées dans de nombreux domaines, tels que l’étude de cellules uniques par exemple.Parallèlement, un effort de recherche grandissant cherche à permettre la caractérisation de solutions de protéines hautement concentrées, pour mieux comprendre les effets d’encombrement macromoléculaire par exemple, ou pour cribler le comportement visqueux de protéines thérapeutiques dans diverses conditions. La rareté et le coût des solutions de protéines restreint le plus souvent la faisabilité de ces études expérimentales, motivant le développement de techniques de caractérisation à faible volume.Nous avons conçu un dispositif microfluidique permettant la rhéologie de protéines et plus généralement de tout composé soluble dans l’eau. L’élément central de ce dispositif est une puce microfluidique permettant la production in-situ, la sélection et le suivi de gouttes individuelles.Le rétrécissement des gouttes entraîne la concentration du soluté au sein de la puce, jusqu’à un facteur 400.Pendant le processus de concentration, la viscosité au sein des gouttes est mesurée continuellement sur une large gamme accessible (1-1000 mPa.s). Ainsi, la caractérisation rhéologique complète de biopharmaceutiques est réalisable en une seule expérience, avec une consommation limitée à 1 µL de solution diluée.Le manuscrit commence par une introduction à la rhéologie des protéines et à la microfluidique.L’architecture et le fonctionnement de la puce sont ensuite détaillés. Sont notamment présentés le choix d’un émulsificateur à gradient de confinement et la réduction de volume consommé qui en découle, ainsi que le phénomène de pervaporation de l’eau permettant le rétrécissement des gouttes et la concentration des solutés. Les contraintes techniques participant à ces choix sont également discutées.Les processus permettant le suivi de la concentration et la microrhéologie par suivi vidéo de particules sont ensuite présentés. Pour chaque étape, une estimation systématique de l’erreur de mesure est réalisée, aboutissant à une estimation de la précision globale du système.Plusieurs expériences de validation ont été réalisées, étudiant des solutés au comportement visqueux connu comme le sucrose ou des protéines globulaires modèles comme l’albumine de sérum bovin ou le lysozyme. Leurs résultats sont présentés, permettant la démonstration des capacités expérimentales de notre dispositif et la discussion de ses limites.Après une conclusion synthétisant l’ensemble de ces travaux et ouvrant de nouvelles perspectives, des informations techniques et des données additionnelles sont regroupées en annexe.

We designed a biomimetic prototissue as a model for cellular tissues that allows to identify the individual role of the different cellular constituents that play a role in the rheological behavior of tissues. The final goal is to characterize the flow behavior of this prototissue under microfluidic confinement. The first part of the Thesis focuses on the design and synthesis of the prototissue from the assembly of Giant Unilamellar Vesicles (GUVs). The ligand-receptor system that we used to drive the assembly was provided by the streptavidin-biotin pair. We have demonstrated that by changing the streptavidin-to-biotin ratio, the number of vesicles in solution and the biotin concentration in the vesicle membrane it is possible to tune the size of the aggregates and the compactness of the tissue. We have also been capable of changing the morphology of the biomimetic tissue from 3D-shapes to a 2D-monolayer structure by changing the incubation method. An alternative adhesion system based on DNA tethers was also evaluated. It proved to be effective in tuning the adhesion between vesicles, and was found to allow the design of prototissue with a high level of compaction. In the second part of the Thesis, the rheology of this biomimetic tissue was tested by means of a microfluidic setup. Specifically, a controlled pressure was applied and the deformation of the aggregate as it flowed through a constriction was tracked. The change in the aggregate size and shape was calculated for small aggregates, which contributed to elucidate the nature of their elastic behavior. For larger aggregates, the forward motion of the aggregate front in a microfluidic constriction as a function of time was measured. It was possible to observe a viscoelastic behavior, that we compared to the one observed in soft epithelial tissues. Both the prototissue model and the tools we developed to characterize its rheology can be implemented in the future to investigate cellular tissues mechanical properties varying its key properties: the adhesion between individual cells, the mechanical properties of the cytoskeleton and the cellular activity., Nous avons conçu un prototissu biomimétique comme modèle de tissus cellulaires qui permet d'identifier le rôle individuel des différents constituants cellulaires qui jouent un rôle dans le comportement rhéologique des tissus. L'objectif final est de caractériser le comportement d'écoulement de ce prototissu sous confinement microfluidique. La première partie de la thèse se concentre sur la conception et la synthèse du prototissu à partir de l'assemblage de Vésicules Unilamellaires Géantes (GUVs). Le système ligand-récepteur que nous avons utilisé pour l'assemblage est la paire streptavidine-biotine. Nous avons démontré qu'en modifiant le rapport streptavidine-biotine, le nombre de vésicules en solution et la concentration de biotine dans la membrane des vésicules, il est possible de contrôler la taille des agrégats et la compacité du tissu. Nous avons également modifié la morphologie du tissu biomimétique en changeant la méthode d'incubation, passant ainsi de formes 3D à une structure monocouche 2D. Un autre système d'adhésion basé sur des complémentarités de séquences d’ADN a également été évalué. Il s'est avéré efficace pour contrôler l'adhésion entre les vésicules, et a permis de concevoir des prototissus avec un niveau élevé de compaction. Dans la deuxième partie de la thèse, la rhéologie de ce tissu biomimétique a été testée au moyen d'une configuration microfluidique. Plus précisément, une pression contrôlée a été appliquée et la déformation de l'agrégat lors de son écoulement à travers une constriction a été suivie. Le changement de taille et de forme de l'agrégat a été calculé pour les petits agrégats, ce qui a contribué à élucider la nature de leur comportement élastique. Pour les agrégats plus grands, le mouvement vers l'avant du front de l'agrégat dans une constriction microfluidique en fonction du temps a été mesuré. Il a été possible d'observer un comportement viscoélastique, que nous avons comparé à celui observé dans les tissus épithéliaux. Le modèle de prototissu et les outils que nous avons développés pour caractériser sa rhéologie peuvent être mis en oeuvre à présent pour étudier les propriétés mécaniques des tissus cellulaires en faisant varier ses propriétés clés : l'adhésion entre les cellules individuelles, les propriétés mécaniques du cytosquelette et l'activité cellulaire.

Extracellular vesicles (EVs) are important intercellular messengers that may be exploited as prognostic or diagnostic biomarkers. However, owing to technical limitations in purifying and assessing EV subpopulations, knowledge on individual EVs is still in its infancy. The goal of the thesis is therefore to develop novel analytical approaches for EVs isolation and detection, and analysis of internal and targeted proteins. First, we present a new capillary electrophoresis (CE), method coupled with laser-induced fluorescent (LIF) detection for identification and quantification of EVs after their purification. Then, Taylor dispersion analysis (TDA) was investigated to determine the size of isolated EVs. Finally, we present a novel approach for the isolation of EVs using polyethylene glycol (PEG) to precipitate EVs on the surface of magnetic beads. To improve the performance, we further translated this method into a droplet microfluidic protocol using a purpose-made droplet platform., Les vésicules extracellulaires (EVs) sont d'importants messagers intercellulaires qui peuvent être exploités comme biomarqueurs pronostiques ou diagnostiques. Cependant, isoler, enrichir et caractériser les EVs à partir de fluides biologiques reste un défi. L'objectif de la thèse est de développer de nouvelles approches analytiques pour l'isolement et la détection des EVs, et l'analyse de protéines internes. Dans un premier temps, nous présentons une nouvelle méthode d'électrophorèse capillaire (CE), couplée à une détection fluorescente induite par laser (LIF) pour l'identification et la quantification des EVs. Ensuite, l'analyse de dispersion de Taylor (TDA) a été étudiée pour déterminer la taille des EVs. Enfin, nous présentons une nouvelle approche pour l'isolement des EVs à l'aide de polyéthylène glycol (PEG) pour précipiter les EVs à la surface de billes magnétiques. Pour améliorer les performances, nous avons transféré cette méthode dans un système microfluidique de gouttes.

In the context of the improvement of medical biology analysis processes and particularly of diagnostic methods, extracellular vesicles appear as biomarkers with a strong potential since about ten years. They indeed carry the protein signature of their emitting cells, which can be exploited as a diagnostic tool. However, the scientific community is facing a lack of technological tools for these biomarkers isolation due to the heterogeneity of the sample of nanometric-scale particles. These limitations hinder the use of these new types of biomarkers in clinical diagnosis. Thus, new methods are required to perform efficient, simple and rapid isolation of extracellular vesicles from liquid biopsy.The development of a system using new technologies at the frontier of the fields of microfluidics and biochemistry is part of this evolution. The microfluidic technique of Deterministic Lateral Displacement (DLD) size sorting appears to be one of the promising technologies for the passive sorting of biological objects. The combination of size sorting and biomarker-specific sorting is then enabled by the combination of a DLD system coupled to aptamers targeting biomarker proteins of interest. The possibilities of specific capture of extracellular vesicles by aptamers have been studied as alternative probes to antibodies by setting up a new detection method. In parallel, the development of a DLD-based microfluidic system for the isolation of extracellular vesicles from complex biological media as an alternative to conventional methods has been performed. The integration of biomarker-specific DLD sorting using aptamers has been addressed in order to propose a complete microfluidic system for the analysis of extracellular vesicles from biofluids., Dans le cadre de l’amélioration des procédés d’analyse de biologie médicale et particulièrement des méthodes de diagnostic, les vésicules extracellulaires apparaissent comme des biomarqueurs avec un fort potentiel depuis une dizaine d’années. En effet, elles portent la signature protéique de leurs cellules émettrices, ce qui peut être exploité comme outil de diagnostic. Cependant, la communauté scientifique fait face à un manque d’outil technologique pour l’isolement de ces biomarqueurs au vu de l’hétérogénéité de l’échantillon nanométrique. Ces limites freinent l’utilisation de ces nouveaux types de biomarqueurs en diagnostic clinique. Ainsi, de nouvelles méthodes sont requises pour effectuer un isolement efficace, simple et rapide des vésicules extracellulaires à partir d’une biopsie liquide. Le développement d’un système utilisant des nouvelles technologies à la frontière des domaines de la microfluidique et de la biochimie s’inscrit dans cette évolution. La technique microfluidique de tri en taille de Déplacement Latéral Déterministe (DLD) apparaît comme une des technologies prometteuses pour le tri passif d’objets biologiques. L’association tri en taille et biomarqueur-spécifique est alors permise par la combinaison d’un système DLD couplé à des aptamères ciblant les protéines biomarqueurs d’intérêt. Les possibilités de capture spécifique des vésicules extracellulaires par les aptamères ont été étudiées comme sondes alternatives aux anticorps via la mise en place d’une nouvelle méthode de détection. En parallèle, le développement d’un système microfluidique DLD pour l’isolement des vésicules extracellulaires à partir de milieux biologiques complexes comme alternative aux méthodes conventionnelles a été réalisé. L’intégration du tri DLD biomarqueur-spécifique à l’aide d’aptamères a été abordé de façon à proposer d’un système microfluidique complet d’analyse de vésicules extracellulaires à partir de liquide biologique.

In his prescient article “More is different”, P. W. Anderson counters the reductionist argument by highlighting the crucial role of emergent properties in science. This is particularly true in biology, where complex macroscopic behaviours stem from communication and interaction loops between much simpler elements. As an illustration, I hereby present three different instances in which I developed and used quantitative methods in order to learn new biological processes.For instance, the regulation and eventual rejection of tumours by the immune system is the result of multiple positive and negative regulation networks, influencing both the behaviour of the cancerous and immune cells. To mimic these complex effects in-vitro, I designed a microfluidic assay to challenge melanoma tumour spheroids with multiple T cells and observe the resulting interactions with high spatiotemporal resolution over long (>24h) periods of time. Using advanced image analysis combined with mathematical modelling I demonstrate that a positive feedback loop drives T cell accumulation to the tumour site, leading to enhanced spheroid fragmentation. This study sheds light on the initiation if the immune response at the single cell scale: showing that even the very first contact between T cell and tumour spheroid increases the probability of the next T cell to come to the tumour. It also shows that it is possible to recapitulate complex antagonistic behaviours in-vitro, which paves the way for the elaboration of more sophisticated protocols, involving for example a more complex tumour micro-environment.Many biological processes are the result of complex interactions between cell types, particularly so during development. The foetal liver is the locus of the maturation and expansion of the hematopoietic system, yet little is known about its structure and organisation. New experimental protocols have been recently developed to image this organ and I developed tools to interpret and quantify these data, enabling the construction of a “network twin” of each foetal liver. This method makes it possible to combine the single-cell scale and the organ scale in the analysis, revealing the accumulation of myeloid cells around the blood vessels irrigating the foetal liver at the final stages of organ development. In the future, this technique will make it possible to analyse precisely the environmental niches of cell types of interest in a quantitative manner. This in turn could help us understand the developmental steps of crucial cell types such as hematopoietic stem cells.The interactions between bacteria and their environment is key to understanding the emergence of complex collective behaviours such a biofilm formation. One mechanism of interest is that of rheotaxis, whereby bacterial motion is driven by gradients in the shear stress of the fluid the cells are moving in. I developed a framework to calculate the semi-analytical equations guiding bacteria movement in shear stress. These equations predict behaviours that aren’t observed experimentally, but the discrepancy is solved once rotational diffusion is taken into account. Experimental results are well-fitted by the theoretical prediction: bacteria in droplets segregate asymmetrically when a shear is generated in the media.Although relating to very different topics, these three studies highlight the pertinence of quantitative approaches for understanding complex biological phenomena: biological systems are more than the sum of their constituents.a; Les systèmes biologiques sont bien plus que la somme de leurs constituants. En effet, ils sont souvent caractérisés par des comportements macroscopiques complexes résultant de boucles d'interactions et de rétroactions. Par exemple, la régulation et le rejet éventuel des tumeurs par le système immunitaire est le résultat de multiples réseaux de régulation, influençant à la fois le comportement des cellules cancéreuses et immunitaires. Pour simuler ces effets complexes in-vitro, j'ai conçu une puce microfluidique permettant de confronter des sphéroïdes de mélanome à de multiples cellules T et d'observer les interactions qui en résultent avec une haute résolution spatio-temporelle et sur de longues périodes de temps. En utilisant de l'analyse d'images avancée, combinée à des modèles mathématiques, je démontre qu'une boucle de rétroaction positive conduit l'accumulation de cellules T sur la tumeur, ayant pour conséquence une fragmentation accrue des sphéroïdes. Cette étude met en lumière l'initiation de la réponse immunitaire à l'échelle de la cellule unique : elle montre que même le tout premier contact entre une cellule T et un sphéroïde tumoral augmente la probabilité que la cellule T suivante arrive sur la tumeur. Elle montre également qu'il est possible de récapituler des comportements antagonistes complexes in-vitro, ce qui ouvre la voie à l'élaboration de protocoles plus sophistiqués, impliquant par exemple un micro-environnement tumoral plus complexe.De nombreux processus biologiques sont le résultat d'interactions entre de multiples types de cellules, en particulier au cours du développement. Le foie fœtal est le lieu de la maturation et de l'expansion du système hématopoïétique, mais on sait peu de choses sur sa structure et son organisation. De nouveaux protocoles expérimentaux ont été récemment mis au point pour imager cet organe et j'ai développé des outils pour interpréter et quantifier ces données, permettant la construction d'un "réseau jumeau" de chaque foie fœtal. Cette méthode permet de combiner les échelles unicellulaire et de l'organe dans une seule analyse, révélant l'accumulation de cellules myéloïdes autour des vaisseaux sanguins irriguant le foie fœtal aux derniers stades du développement de l'organe. À l'avenir, cette technique permettra d'analyser précisément les environnements de cellules d'intérêt de manière quantitative. Ceci pourrait à son tour nous aider à comprendre les étapes du développement de types cellulaires cruciaux tels que les cellules souches hématopoïétiques.Les interactions entre les bactéries et leur environnement sont essentielles pour comprendre l'émergence de comportements collectifs complexes tels que la formation de biofilms. Un mécanisme d'intérêt est celui de la rhéotaxie, par lequel le mouvement bactérien est entraîné par les gradients de la contrainte de cisaillement du fluide dans lequel les cellules se déplacent. J'ai développé une méthode pour calculer les équations semi-analytiques guidant le mouvement des bactéries dans la contrainte de cisaillement. Ces équations prédisent des comportements qui ne sont pas observés expérimentalement, mais la divergence est résolue une fois que la diffusion rotationnelle est prise en compte. Les résultats expérimentaux correspondent bien à la prédiction théorique : les bactéries dans les gouttelettes se séparent de manière asymétrique lorsqu'un cisaillement est généré dans le milieu.

Extracellular vesicles (or EVs) are heterogeneous nano-sized cellular subspecies released by all cells in the body. They circulate freely in biological fluids and are today considered as potential markers and indicators of many diseases. Thus, identifying and characterizing them remains a major challenge that could lead to rapid diagnosis and prognosis of many diseases. However, due to their heterogeneous sizes, no current technique allows for their proper quantification and characterization. Thus, only a combination of technologies could provide important information on these molecules of interest. To this end, this thesis aims at developing a lab on chip that would allow the isolation of EVs from a biological fluid. To achieve this separation, we chose to use hydrodynamic filtration. This principle allows the separation of particles according to a defined size. It is a simple and passive method (no external field), robust and less prone to clogging than standard filtration techniques. Its principle is based on the size exclusion of particles whose diameter is greater than a defined value, called the cut-off radius, monitored by the ratio of flow rates between a main channel and one or more side channels. We have designed and manufactured microfluidic chips allowing the separation of particles at a cut-off radius adapted to the EV application (between 150 and 900 nm). We used an original microfabrication technique based on successive dry film lamination (DF) and photolithography to manufacture the devices. We demonstrated the proof of concept using three fluorescent biofunctionalized nanoparticles (NP140, N480 and NP 920) covering the EV distribution range. Once the validation was done in synthetic media, we injected biological media spiked with nanoparticles into the sorting devices. We were able to quantify and analyze filtered samples using different techniques (Tunable Resistive Pulse Sensing, flow cytometry, direct counting). We have demonstrated that using our device we were able to collect 35 µL of filtered sample within 30 minutes which is highly compatible with the requirements of the subsequent quantification analysis. We compared filtered samples to injected samples and observed identical concentrations for the nanoparticles (NP 140-CAS, NP 480-OVA) smaller than the cut-off radius, indicating a 100% recovery yield. For nanoparticles larger than the cut off radius (NP 920) and cells present in the biological media (red and white blood cells, etc.) we obtained a filtration yield of the order of 96 to 98 %. We thus demonstrate that the use of biological fluid (blood, plasma, PPL), does not affect the separation results in any way. These results proved that this separation method is a good candidate for treatment of natural samples and could serve as a new range of diagnostic and prognostic tests for pathologies., Les vésicules extracellulaires (ou EVs) sont des sous-espèces cellulaires, de tailles nanométriques et hétérogènes, libérées par toutes les cellules de l'organisme. Elles circulent librement dans les fluides biologiques et sont aujourd'hui considérées comme de potentiels marqueurs et indicateurs de nombreuses maladies. Ainsi, les identifier et les caractériser reste un défi majeur qui pourrait conduire à des diagnostics et pronostics rapides de nombreuses pathologies. Cependant, de par leurs tailles hétérogènes, aucune technique actuelle ne permet de bien les quantifier et les caractériser. Ainsi, seule une combinaison de technologies pourrait permettre de fournir des informations importantes sur ces espèces d'intérêts. Dans ce but, ce travail de thèse a pour objectif de développer un laboratoire sur puce qui permettrait d'isoler les EVs à partir d'un fluide biologique. Le laboratoire sur puce est basé sur un principe de filtration hydrodynamique permettant la séparation des EVs provenant de milieux complexes. Ce principe permet de séparer les particules selon une taille définie. Il s'agit d'une méthode simple et passive (aucun champ extérieur), robuste et moins sujette au risque de colmatage. Son principe est basé sur l'exclusion en taille des particules dont le diamètre est supérieur à une valeur définie, appelée le rayon de coupure, définie par le rapport des débits entre une canalisation principale et une ou plusieurs canalisations latérales. En choisissant judicieusement les dimensions des canalisations, il a été possible de concevoir plusieurs dispositifs permettant la séparation à un rayon de coupure donné. Nous avons conçu et fabriqué, des puces microfluidiques permettant la séparation des particules à un rayon de coupure adapté à l'application des EVs (entre 150 et 900 nm). Nous avons utilisé une technique originale basée sur le laminage successif de films secs (DF) et la photolithographie. Nous avons fait la preuve de concept à l'aide de trois nanoparticules biofonctionnalisées fluorescentes (NP 140-CAS, N 480-OVA et NP 920) couvrant la gamme de distribution des EVs. Une fois la validation faite dans des milieux synthétiques, nous avons décidé de complexifier les mélanges et nous avons injecté des milieux biologiques associés à de nanoparticules dans les dispositifs de tri. Une fois les différentes séparations effectuées, nous avons pu quantifier et analyser à l'aide de différentes techniques (par Tunable Resistive Pulse Sensing, par cytométrie de flux, par comptage directe) nos échantillons. Nous avons démontré qu'à l'aide de nos dispositifs, nous pouvons récolter 35 µL d'échantillon filtré en 30 minutes d'injection ce qui est hautement compatible avec les exigences de l'analyse de quantification. Nous avons comparé chaque échantillon filtré avec ceux injectés et nous avons observé des concentrations identiques pour les nanoparticules de taille inférieure (NP 140-CAS, NP 480-OVA) au rayon de coupure, nous indiquant un rendement de 100 % de récupération. Pour les autres nanoparticules (NP 920) et les grosses cellules présentes dans les milieux biologiques (globules rouges, blancs, etc...) nous avons obtenu un rendement de filtration de l'ordre de 96 à 98%. Nous démontrons ainsi que l'utilisation de fluide biologique (sang, plasma, PPL), n'affecte en aucun cas les résultats de séparation. Ceci prouve que cette méthode de séparation est un bon candidat pour le traitement des échantillons naturels et pourrait être la base d'une nouvelle génération de tests diagnostiques.

Nucleation is a key step in crystallization processes which is a crucial unit operation in the manufacture and purification of products, occurring in almost all sorts of industries including foods, pharmaceuticals, cosmetics, fine chemicals, ceramics, metallurgy and electronics. Thus, fundamental understanding of its nucleation kinetics is of immense importance yet it remains poorly understood from both experimental and theoretical perspective. With these motivations, this thesis seeks to develop innovative methods in quantifying nucleation kinetics both in industrially-relevant agitated crystallizers and in fundamentally-oriented microfluidic systems. Starting with agitated crystallizers, a protocol for estimating primary nucleation was developed based on laser backscattering which involves extrapolating the nucleation rates to zero agitation. To validate the approach, a multiscale investigation of nucleation kinetic parameters was performed using various techniques in L, mL, and μL scales. This sheds light into the transferability of kinetic data for engineering purposes. To focus on the fundamental aspects of nucleation, an approach to extract nucleation kinetic parameters from evaporative microcrystallizers was developed, using microdroplets at pL scale. This involves the measurement of induction time via deliquescence-efflorescence cycle, the derivation of evaporation model to accurately determine the supersaturation at nucleation, and the use of a modified Poisson distribution to model the stochastic nature of nucleation and extract nucleation kinetic parameters. The combination of these three developments have led to a successful quantification of nucleation kinetic parameters in evaporating microdroplets (i.e; at variable supersaturation), demonstrating a remarkable agreement between theory and experiment.; La nucleation est une etape essentielle dans le processus de cristallisation, qui est notamment utilise pour la fabrication et la purification de produits industriels (pharmaceutiques, cosme tiques, de chimie fine, alimentaires, ce ramiques, de me tallurgie et d'e lectronique). Cependant, il reste encore des questions fondamentales, notamment sur la cine tique de nucle ation qui est cruciale dans ces applications. Cette the se cherche a mieux comprendre la nucle ation des cristaux par le de veloppement de me thodes innovantes pour quantifier cette cine tique de nucle ation : dans des cristallisoirs agite s a grande e chelle (L, mL, μL) qui sont industriellement pertinents, ainsi qu’a petite e chelle (nL, pL) dans des syste mes microfluidiques a base de microgouttelettes qui pre sentent un inte re t fondamental. A l'e chelle du L, la mesure de la re flectance optique couple e a la spectroscopie Raman in situ nous a permis de suivre l'e volution du nombre de particules et de la concentration de la solution. Et par l’extrapolation du de compte des particules jusqu'a une vitesse d'agitation nulle, nous avons extrait la cine tique de nucle ation primaire. A l’e chelle du mL et du μL en syste mes agite s, les parame tres de la cine tique de nucle ation obtenus par l'approche de distribution du temps d'induction re ve lent des e carts de six a sept ordres de grandeur, par rapport a ceux obtenus dans des volumes de l’ordre du L, ce qui les rend inexploitables a l'e chelle industrielle. Toutefois, les valeurs d'e nergie interfaciale effective γeff sont relativement cohe rentes a toutes ces e chelles. Tandis qu’a l’e chelle du nL, en microfluidique a base de microgouttelettes dans des capillaires, l’e nergie interfaciale effective γeff est e leve e. Ceci est lie a la barrie re thermodynamique e leve e pour atteindre la nucle ation. Par conse quent, la sursaturation doit y e tre tre s e leve e pour nucle er, faisant ainsi de la nucle ation homoge ne le me canisme pre dominant. A l’e chelle du pL, la me thode microfluidique est base e sur la ge ne ration de microgouttelettes sessiles sur une surface. Le temps de nucle ation est de tecte par microscopie in situ et analyse d'images lors de cycles de de liquescence-efflorescence, la sursaturation au moment de la nucle ation est de termine e avec pre cision a partir d'un mode le d'e vaporation que j'ai de veloppe , et la nature stochastique de la nucle ation est analyse e a l'aide d'une distribution de Poisson modifie e. Ainsi la combinaison de ces trois de veloppements nous a permis de quantifier les parame tres de la cine tique de nucle ation dans les microgouttelettes en e vaporation, avec une cohe rence entre la the orie et l'expe rience.

Dans les tumeurs solides, l'hypoxie est un mécanisme de résistance à la radiothérapie bien connu. Il a déjà été démontré que, lorsque les microbulles (MB) sont exposées à une impulsion ultrasonore (US), celles-ci peuvent induire une vasodilatation dans les tissus musculaires. De plus, une impulsion thérapeutique peut être délivrée localement dans la tumeur en dirigeant le faisceau US. Cette approche est donc proposée comme thérapie provasculaire ciblée, guidée par l’imagerie ultrasonore dans les tumeurs afin de réduire l'hypoxie avant la radiothérapie. Le contrôle de la vasodilatation est induit par la production d'oxyde nitrique (NO) par la voie de signalisation cellulaire du eNOS dans les cellules endothéliales. Il a été démontré que l'augmentation de l'ATP extracellulaire active la voie de signalisation du eNOS. Il a aussi été démontré que l’oscillation des MB sous l’effet des US libèrent de l'ATP lorsque le tissu musculaire est traité. Cependant, les effets des différentes conditions ultrasonores et de MB sur la libération d'ATP n'ont pas encore été étudiés. Nous émettons donc l'hypothèse qu'il existe des conditions permettant de maximiser l’activation des voies de signalisation purinergiques (ATP) et d'optimiser leur durée d’activation pour une réponse provasculaire optimale. Les motivations de ce projet sont de tester divers paramètres et d'étudier les interactions MB/cellules dans des conditions d'écoulement, qui sont généralement difficile à mettre en place lorsqu'on utilise des boîtes de Pétri. Pour quantifier plus facilement les voies de signalisation, nous avons créé des puces microfluidiques avec quatre canaux parallèles dans lesquels des cellules ont pu être cultivées. Avec quatre canaux traités lors d’une même impulsion ultrasonore, nous avons aussi augmenté le nombre de données à traiter et nous pouvons observer les effets de plusieurs impulsions lorsque les MB étaient dans un écoulement. En outre, la puce que nous avons développé est capable de donner une concentration en MB différente dans chaque canal afin de pouvoir tester quatre concentrations de MB différente dans des conditions d’écoulement. Les objectifs de ce projet de maîtrise sont donc les suivants : (1) concevoir la puce microfluidique ; (2) être capable de cultiver des cellules dans les canaux microfluidiques ; (3) créer des protocoles pour mesurer la libération d'ATP et la viabilité cellulaire après une impulsion ultrasonore ; (4) observer la capacité de la puce à donner différentes concentrations de MB dans chaque canaux en conditions d’écoulement. Lors de la conception de la puce microfluidique, nous avons créé un environnement dans lequel les quatre canaux de la puce ont des concentrations différentes de microbulles fluides. Ainsi, nous avons atteint les objectifs du projet. Nous avons réussi à introduire dans le canal microfluidique des cellules endothéliales de cordon ombilical humain (HUVEC) et une lignée cellulaire de cancer du sein (4T1). Les monocouches cellulaires créées par chacune des deux lignées cellulaires ont été traitées avec succès par une impulsion thérapeutique ultrasonore lors de l’injection de MB. Nos résultats montrent qu'une augmentation du nombre de cycles et de la pression, libère plus d'ATP et induisent une mortalité cellulaire plus importante. En outre, nous avons établi un lien entre la libération d'ATP et la mortalité cellulaire en comparant différentes impulsions thérapeutiques ultrasonore. Cette analyse a permis de dégager deux tendances. Avec des impulsions à faible énergie, la libération d'ATP est augmenté et on constate une très faible augmentation de la mort cellulaire ; inversement, avec des impulsions à plus forte énergie, la libération d'ATP et la mortalité cellulaire ont augmentés et on atteint un plateau. Ainsi, nos résultats confirment que différents mécanismes de libération d'ATP peuvent être déclenchés par les thérapies MB et US., In solid tumors, hypoxia is a well-known resistance mechanism to radiation therapy. It was previously shown that microbubbles (MBs), when exposed to an ultrasound pulse (US) can cause vasodilation in muscle tissue. Conceptually, the therapeutic pulse can be localized on the tumor by steering the US beam. This approach is therefore proposed as a targeted image-guided provascular therapy in tumors to reduce hypoxia before radiotherapy. However, the effects of US and MB conditions on the relative increase in tumor perfusion remain largely unknown. Vascular control is managed by the production of nitric oxide (NO) through the eNOS pathway inside the endothelial cells. Increases in extracellular ATP have been shown to be a signaling event for the activation of this pathway. Fittingly, MB and US have been shown to release ATP when muscle tissue was treated. However, the effects of therapeutic US and MB parameters on the treatment have not yet been described. We, therefore, hypothesize that there are conditions that will maximize the purinergic signaling pathways (ATP) and optimize their time course for an optimal provascular response. The motivation for this project came from the desire to test various parameters and study MB/cell interactions in flowing conditions, which are typically limited when using petri dish setups. To quantify more easily the signaling pathways, we created microfluidic chips with four parallel cell coated channels. This chip allowed us to increase the throughput when using a single US exposure in static conditions and with the ability to support multiple US exposures with MB replenishment in flowing conditions. Also, the custom-made chip multiplexes the bubble concentration to obtain four channels with different flowing microbubble concentrations. The goals of this master’s project were thus: (1) to design the microfluidic chip; (2) to demonstrate the capacity for cell culture; (3) create protocols for measuring ATP and cell viability after therapeutic pulses; (4) to demonstrate repeatable flowing conditions with the multiplexed MB concentration. On the design of the microfluidic chip, we were successful at creating an environment where four of the four channels in the chip have different concentrations of flowing microbubbles. Thus, fulfilling the project's goals. We have succeeded in seeding both Human Umbilical Vein Endothelial Cells (HUVECs) and a breast cancer cell line (4T1) into the microfluidic channel. The cell monolayers created by both cell lines were successfully treated with an US and MB therapeutic pulse. Our results support that an increase in both, cycles and pressure, release more ATP and cause more cell death. Further, we linked ATP release to cell death by comparing different therapeutic pulses. From this analysis, two trends appeared. With lower energy pulses, ATP release increased sharply with a very small increase in cell death; conversely, with higher energy pulses, ATP release continued to increase with cell death but reached a plateau. Thus, our results support that different mechanisms of ATP release can likely be triggered by MB and US therapy.

The capture of objects on a solid surface in a laminar flow is involved in many applications, notably in bionanalysis and biological research. Studied since the beginning of the 20th century, this capture involves three mechanisms: convection of the object by the liquid above the capture surface, diffusion of the object towards this surface and finally reaction kinetics at the surface. Until now, the capture models present in he literature are designed for continuously injected molecules. However, many common situations in biotechnology do not correspond to this case. They involve, for example, more complex objects (nano/microparticles, deformable objects,...) or objects injected as small plugs. The objective of this thesis is, thanks to experiments, numerical simulations, and theoretical models, to propose new capture laws adapted to these common situations of modern bioanalysis. It will be shown that three phenomena must respectively be taken into account in these new capture laws in order to understand the specificity of each of these situations: the inertial lift effect (for particles), the elastic lift effect (for deformable objects) and the Taylor-Aris dispersion for small volume samples), La capture d’objets sur une surface solide dans un écoulement laminaire est impliquée dans de nombreuses applications, notamment en bioanalyse et en recherche biologique. Etudié depuis le début du 20ème siècle, cette capture fait intervenir trois mécanismes : convection de l’objet par le liquide au-dessus de la surface captatrice, diffusion de l’objet vers cette surface et enfin cinétique de réaction à la surface. Jusqu'à présent, les modèles de capture présents dans la littérature sont conçus pour des molécules injectées en continu. Or, de nombreuses situations courantes en biotechnologie ne correspondent pas à ce cas de figure. Elles mettent en jeu, par exemple, des objets plus complexes (nano/microparticules, objets déformables, …) ou injectés sous forme de bouchons de faibles volumes. L’objectif de cette thèse est, grâce à des expériences, des simulations numériques, et des modèles théoriques, de proposer de nouvelles lois de captures adaptées à ces situations courantes de la bioanalyse moderne. On montrera notamment que trois phénomènes doivent respectivement être pris en compte dans ces nouvelles lois de capture pour comprendre la spécificité de chacune de ces situations : l’effet de lift inertiel (pour les particules), l’effet de lift élastique (pour les objets déformables) et la dispersion de Taylor-Aris (pour les échantillons de faibles volumes).

The transport properties of a suspension of motile bacteria under flow are a fundamental scientific issue in order to understand the colonisation of new environments by microorganisms. Numerous studies report the singular behaviour of these active suspensions in flow. Accumulation at the walls, collective motion, modification of the rheological behaviour are all phenomena that reveal the richness of these systems. Nevertheless, many questions remain. In this thesis, we present the effect of a flow on the transport of a suspension of motile Escherichia coli bacteria in confined geometries. Experiments were carried out in a Hele-Shaw cell to understand the influence of flow and confinement Peclet numbers on the transport of the suspension in a Poiseuille flow. The swimming properties of E. coli were characterised in a fluid at rest using two non-intrusive optical techniques: tracking and differential dynamic microscopy. In flow, these properties are strongly dependent on shear. Rheotaxis effect has been pointed out at the vicinity of a surface and favours upstream swimming; upstream migration also found in the bulk. We also show that confinement of the suspension influences the thickness of the boundary layer and, with the intensity of the flow, modifie the distribution of bacteria through the Hele-Shaw cell., Les propriétés de transport d'une suspension de bactéries motiles sous écoulement présentent un enjeu scientifique fondamental dans la compréhension de la colonisation de nouveaux milieux par ces microorganismes. De nombreuses études font part du comportement singulier de ces suspensions actives en écoulement. L'accumulation aux parois, les comportements collectifs, la modification du comportement rhéologique sont d'autant de phénomènes qui révèlent la richesse de ces systèmes. Malgré tout, de nombreuses questions subsistent. Dans ce travail de thèse, nous présentons l'effet d'un écoulement sur le transport d'une suspension de bactéries Escherichia coli motiles en milieu confiné. Des expériences ont été menées en cellule de Hele-Shaw pour comprendre l'influence du Péclet hydrodynamique et du Péclet de confinement sur le transport de la suspension en écoulement de Poiseuille. Les propriétés de nage d'E. coli ont été caractérisées dans un fluide à l'équilibre par deux techniques optiques de mesures non-intrusives : le tracking et la microscopie dynamique différentielle. En écoulement, ces propriétés se voient être fortement modifiées et dépendantes du cisaillement. L'effet de rhéotaxie a été mis en évidence et favorise la migration bactérienne à contre-courant aux parois ; migration retrouvée également loin des surfaces. Nous montrons également que le confinement de la suspension influe sur l'épaisseur de la couche limite qui, couplé à l'intensité de l'écoulement, modifient la distribution en bactéries dans la cellule de Hele-Shaw.

The mechanical properties of the cell's membrane control many biological processes. Giant Unilamellar vesicle (GUV) are an easy approach to reproduce cells membrane. Micropipette aspiration is a well-known technique used to characterize their mechanical properties, though it involves long time experimentation, and huge set up. Here we present a microfluidic platform that reproduce micropipette aspiration especially by its cylindrical trap form. The main advantage is the flexibility in terms of the shape we can fabricate, as well as the multiplexing micropipette, offering high throughput measurements and finally the ability to fabricate the elements composing the micropipette by hundreds at a time. We were able first to characterize simple lipid compositions such as DOPC, POPC and Brain SM, whose bending and stretching moduli are in very good agreement with the values reported in the literature. We also characterized the effect of cholesterol on DOPC membranes: cholesterol does increase the stretching modulus of DOPC membrane but does not affect its bending modulus, making therefore the membrane stiffer. Moreover, we characterized DOPC membrane challenged with co-polymers nanoparticles which are usually used for drug delivery and which showed a softening in the membrane which could be due to the permeation effect of the NP on the membrane. As this method is versatile, by changing the shape of the cylindrical micropipette to a cross section which allows the GUVs to be trapped with a residual flow around it, we were able to have a preliminary characterization of the effect of flow on the membranes' fluidity properties. Finally, we adapted the size of the micropipette in order to characterize the viscoelastic properties of spheroids made of cancer cells. We characterized the viscosity of pancreatic cancer cells and demonstrated that it is independent on the spheroids size., Les propriétés mécaniques de la membrane cellulaire contrôlent de nombreux processus biologiques. Les vésicules unilamellaires géantes (GUV) sont une approche facile pour reproduire la membrane cellulaire. L'aspiration par micropipettes est une technique bien connue utilisée pour caractériser leurs propriétés mécaniques, bien qu'elle implique une expérimentation de longue durée pour une mesure et une configuration complexe. Nous avons développé des plates-formes microfluidique visant à intégrer l'aspiration par micropipettes. Un avantage crucial de l'approche la plus avancée que nous avons mise en place est la flexibilité en termes de forme que nous pouvons fabriquer (en particulier forme de piège cylindrique). Cette approche permet également de multiplexer des micropipettes, offrant des mesures à haut débit, et enfin la possibilité de fabriquer les éléments composant la micropipette par centaines à la fois. Nous avons d'abord pu caractériser des compositions lipidiques simples telles que DOPC, POPC et Brain SM, dont les modules de courbure et d'étirement étaient en très bon accord avec les valeurs rapportées dans la littérature. Nous avons également caractérisé l'effet du cholestérol sur les membranes DOPC : le cholestérol augmentait le module d'étirement de la membrane DOPC mais n'affectait pas son module de courbure, rendant ainsi la membrane plus rigide. De plus, nous avons caractérisé la membrane DOPC contestée avec des nanoparticules de copolymères, généralement utilisées pour l'administration de médicaments. Ces nanoparticules ont induit un ramollissement de la membrane, qui pourrait être dû à l'effet de perméabilisation des NP sur la membrane, ou à leur insertion dans les membranes provoquant des défauts. Cette méthode étant polyvalente, en changeant la forme de la micropipette cylindrique en une section transversale permettant de piéger les GUV avec un écoulement résiduel autour d'elle, nous avons pu avoir une caractérisation préliminaire de l'effet de l'écoulement sur la fluidité des membranes. Enfin, nous avons adapté la taille de la micropipette afin de caractériser les propriétés viscoélastiques des sphéroïdes, agrégats de cellules cancéreuses 3D. Nous avons caractérisé la viscosité des cellules cancéreuses du pancréas et démontré qu'elle est indépendante de la taille des sphéroïdes.

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.

In the past years a growing demand for label-free cell analysis has emerged. This demand answers the need for cell analysis in its developing stages and, perhaps more importantly, to study cell physiological state in a simpler way than using fluorescence-based analyses. Mechanical and optical properties of cells are emerging as powerful biomarkers to discriminate cells. The cell deformation induced by acoustic pressure is measured with the Acoustofluidic Interferometric Device, developed in this Thesis, and allows for studying the cells deformability in a way similar to what is done for the analysis of the Young modulus. Deformability is an integral biomarker that summarizes cell gene expression, while the cell refractive index is related to the density of proteins in the cytoskeleton. The Acoustofluidic Interferometric Device, developed for the measurement of optomechanical cell properties on a cytometric basis, is detailed described and characterized in this thesis. The device enables the assessment of size, deformability and refractive index (or a combination of them) of non-adherent cells by means of a low finesse Fabry Perot resonator and acoustic manipulation.When an acoustically focussed cell (or another micro-sized particle) crosses the axis of the Fabry-Perot cavity it will perturb the resonator’s fringe pattern governed by the Airy’s transmission function. Such perturbation can be characterized and analyzed by means of the parameters ρ (radii of the circular interference fringes), Full Width at Half Maximum of the individual fringe and by the distance between fringes (Free Spectral Range). The analysis of the perturbation enables the assessment of the cell’s optomechanical properties. Measurement of the deformability of Algae and Yeast cells has been carried out to test the instrument’s performance and compared to the equivalent perturbation introduced by Microgel beads and Polystyrene spheres as controls. The experiment is based on the cell-induced fringe pattern perturbation images analysis. Images are acquired under two different conditions; 1) acoustic focussing and 2) acoustically induced deformation. 180 independent intensity profiles are retrieved and analyzed for each image, allowing for statistical analysis of the parameters: cell focal length and perturbed resonator Finesse. The results show a change in the optomechanical properties of the Algae, Yeast and Microgel while the Polystyrene sample remains virtually unchanged, as expected since Polystyrene is much stiffer than a cell and cannot be deformed by the pressure field of the instrument. These results show that the acoustofluidic technique presented here is useful to detect and measure different optomechanical properties which, potentially, can be used as label free biomarkers in clinical diagnosis.; Au cours des dernières années, une demande croissante d’analyse cellulaire sans étiquette est apparue. Cette demande répond au besoin d’analyse cellulaire dans ses étapes de développement et, peut-être plus important encore, d’étudier l’état physiologique des cellules d’une manière plus simple que d’utiliser des analyses basées sur la fluorescence. Les propriétés mécaniques et optiques des cellules deviennent de puissants biomarqueurs pour discriminer les cellules. La déformation cellulaire induite par la pressionacoustique est mesurée avec le Dispositif Interférométrique Acoustofluidique, développé dans cette thèse, et permet d’étudier la déformabilité cellulaire d’une manière similaire à ce qui est fait pour l’analyse du module d’Young. La déformabilité est un biomarqueur intégral qui résume l’expression du gène cellulaire, tandis que l’indice de réfraction cellulaire est lié à la densité des protéines dans le cytosquelette. Le dispositif interférométrique acoustofluidique, développé pour la mesure des propriétés optomécaniques des cellules sur une base cytométrique, est décrit et caractérisé en détail dans cette thèse. L’appareil permet d’évaluer la taille, la déformabilité et l’indice de réfraction (ou une combinaison de ceux-ci) de cellules non adhérentes au moyen d’un résonateur Fabry-Perot de faible finesse et d’une manipulation acoustique. Lorsqu’une cellule focalisée par le champ acoustique (ou une autre particule de micro-taille) croise l’axe de la cavité Fabry-Perot, elle perturbe le motif de franges du résonateur, décrites par la fonction de transmission d’Airy. Une telle perturbation peut être caractérisée et analysée au moyen des paramètres ρ (rayons des franges d’interférence circulaires), pleine largeur à mi-maximum de la frange individuelle et distance entre les franges (intervalle spectrale libre). L’analyse de la perturbation permet d’évaluer les propriétés optomécaniques de la cellule. La mesure de la déformabilité des algues et descellules de levure a été réalisée pour tester les performances de l’instrument et comparée à la perturbation équivalente introduite par les billes de microgel et par des sphères de polystyrène comme témoins. L’expérience est basée sur l’analyse des images de perturbation des franges induites par les cellules. Lesimages sont acquises dans deux conditions différentes; 1) focalisation acoustique et 2) déformation induite acoustiquement. 180 profils d’intensité indépendants sont récupérés et analysés pour chaque image, permettant une analyse statistique des paramètres: distance focale cellulaire et Finesse du résonateur perturbé. Les résultats montrent un changement dans les propriétés optomécaniques des algues, de la levure et du microgel tandis que l’échantillon de polystyrène reste pratiquement inchangé, comme prévu, car le polystyrène est beaucoup plus rigide qu’une cellule et ne peut pas être déformé par le champ de pression de l’instrument. Ces résultats montrent que la technique acoustofluidique présentée ici est utile pour détecter et mesurer différentes propriétés optomécaniques qui, potentiellement, peuvent être utilisées comme biomarqueurs sans étiquette dans le diagnostic clinique.

Red blood cells (RBC) are micron sized biological objects and the main corpuscular constituent of blood. It flows from larger arteries to very small capillaries. Utilizing a physical approach, this work aims to assess properties that govern blood flows and in particular the disaggregation and aggregation mechanisms of RBC at a single cell level. The interactions of RBCs are thus, investigated experimentally by measuring adhesive forces in the pN range in various model solutions thanks to optical tweezers. While two models for aggregation have been proposed: bridging and depletion, experimental evidence is still lacking to decide which mechanism prevails. The research presented here provides a new insight on the aggregation of RBCs and shows that the two models may not be exclusive. A complete 3-dimensional phase diagram of doublets has been established and confirmed by experiments by varying the adhesive forces and reduced cell volumes. Besides, the effect of aggregation was studied in vitro in a bifurcating microcapillary network and the distribution of aggregates and their stability in such a geometry are reported. Finally, experiments in flow allowed the characterization of the flow field around single RBCs at different velocities. Interesting vortical fluid structures have been also observed thanks to tracer nanoparticles., Les globules rouges (GR) sont des objets biologiques de la taille du micron et l'un des principaux constituants du sang. Ils circulent des grandes artères aux très petits capillaires. En utilisant une approche physique, ce travail vise à évaluer les propriétés qui régissent les écoulements sanguins et en particulier les mécanismes de désagrégation et d'agrégation des globules rouges au niveau cellulaire. Les interactions des globules rouges sont ainsi étudiées expérimentalement en mesurant les forces d'adhésion qui sont seulement de quelques piconewtons et ce, dans différentes solutions modèles grâce aux pinces optiques. Malgré les deux modèles d'agrégation existants : le pontage et la déplétion, les preuves expérimentales font défaut. La recherche présentée ici apporte un nouvel éclairage sur l'agrégation des GR et montre que les deux modèles ne sont peut-être pas mutuellement exclusifs. Un diagramme de phase tridimensionnel complet des doublets a été établi et confirmé par des expériences en faisant varier les forces adhésives et en réduisant les volumes réduits des globules rouges. En outre, l'effet de l'agrégation a été étudié in vitro dans un réseau microcapillaire en bifurcation et la distribution des agrégats dans un tel modèle a été rapportée. Enfin, des expériences en écoulement ont permis de caractériser le champ d'écoulement autour de chaque globule rouge à différentes vitesses. Des structures de fluides en forme de vortex intéressantes ont également été observées grâce à des traceurs (nanoparticules).

Whey protein isolates have received increasing interest due to their high nutritional value and their growing availability on the market as a co-product of cheese production. Whey protein isolates (WPI) can be aggregated upon heating to create new functional properties which depend on aggregate size and structural properties. Based on the fractal properties of these aggregates, one major application is to texture food products by two different ways: by forming a stable and thick suspension of aggregates or by forming a space filling network, through a gelation process. Fractal aggregate size generally ranges from a few hundred nanometres to a few microns at most. However, it would be interesting if their size could reach at least 30 microns (the limit of consumer perception) to increase their thickening power. Up to now, technological routes to create thickening particles were based mainly on the physico-chemical conditions of aggregation.The objective of the PhD is to study new aggregation and gelation processes with the aim to produce novel aggregate structures to enhance their texturising ability.Firstly, a good understanding of molecular self-assembly was required, taking into account the industrial process parameters. Indeed, in industrial conditions, aggregates are obtained under flow conditions at high temperature (≥75◦C) in few minutes. We developed a down scaling approach to study both the kinetics of aggregation after few seconds and its dependence with the mean shear rate in which heat transfer does not limit aggregation. The size and mass of aggregates and protein conformation were characterized by small-angle X-ray scattering and resonant mass measurement. We showed that for fractal aggregates formed at low protein and salt concentration, WPI aggregation at 92°C was limited by a step of nucleation, shear rate had no significant effect on the size of the aggregates, or on the aggregation kinetics and slower thermalization lead smaller aggregates size.Secondly, standard characterization methods of aggregates structure being limited to sub-micrometric aggregates, we developed a new method for aggregates of several tens of microns based on a covalent labelling of WPI and fluorescent microscopy. We have shown that, depending on the physico-chemical and heating conditions, the range of size where fractal aggregates exhibits a fractal dimension equal to 2 can be extended from 10 to 60 µm.Thirdly, we developed a new structuration process to spin gels of fractal aggregates by a combination of microflows and Ca2+-induced gelation. The WPI fibers presented a core-shell structure. Moreover, the size and the stability of the fiber was due to a complex interplay between different phenomena: hydrodynamics stresses, gelation kinetics, local pH changes during gelation and osmotic stresses.Finally, characterization of gelation of fractal aggregates by Ca2+ was studied in a bi-dimensional geometry in order to gain insights on the different phenomena that govern the formation and structure of the fiber. Especially, we showed the presence of osmotic flux which concentrates the aggregates in a front and form the shell of the fiber., Les isolats de protéines de lactosérum ont suscité un intérêt croissant en raison de leur haute valeur nutritionnelle et de leur disponibilité croissante sur le marché, étant un coproduit de la production de fromage. Les isolats de protéines de lactosérum peuvent être agrégés par chauffage pour créer de nouvelles propriétés fonctionnelles qui dépendent de la taille des agrégats et de leurs propriétés structurelles.Grâce aux propriétés fractales de ces agrégats, l'une des principales applications consiste à texturer les produits alimentaires et ce de deux manières différentes : en formant une suspension stable et épaisse d'agrégats ou en formant un réseau remplissant l'espace, par un processus de gélification. La taille des agrégats fractals varie généralement de quelques centaines de nanomètres à quelques microns tout au plus. Cependant, il serait intéressant que leur taille atteigne au moins 30 microns (limite de la perception du consommateur) pour augmenter leur pouvoir épaississant. Jusqu'à présent, les voies technologiques pour créer des particules aux propriétés épaississantes étaient principalement basées sur la modulation des conditions physico-chimiques lors de l'agrégation.L'objectif de la thèse est d'étudier de nouveaux processus d'agrégation et de gélification dans le but de produire de nouvelles structures d'agrégats pour améliorer leur capacité de texturation.Tout d'abord, une bonne compréhension de l'auto-assemblage moléculaire était nécessaire, en tenant compte des paramètres des processus industriels. En effet, dans des conditions industrielles, les agrégats sont obtenus dans des procédés en continu (taux de cisaillement) à une température élevée (≥75◦C) en quelques minutes. Nous avons développé un procédé d'agrégation couplée à une réduction d'échelle pour étudier à la fois la cinétique d'agrégation après quelques secondes et sa relation avec le taux de cisaillement moyen, dans lequel le transfert de chaleur ne limite pas l'agrégation. La taille et la masse des agrégats ainsi que la conformation des protéines ont été caractérisées par diffusion des rayons X aux petits angles et la mesure de masse par résonance. Nous avons montré que pour les agrégats fractals formés à faible concentration et de sel, l'agrégation des WPI à 92°C était limitée par une étape de nucléation, que le taux de cisaillement n'avait pas d'effet significatif sur la taille des agrégats et sur la cinétique d'agrégation et qu'une thermalisation plus lente conduisait à des agrégats de plus petite taille.Deuxièmement, les méthodes standards de caractérisation de la structure des agrégats étant limitées aux agrégats sub-micrométriques, nous avons développé une nouvelle méthode pour les agrégats de plusieurs dizaines de microns, basée sur un marquage covalent des WPI et la microscopie fluorescente. Nous avons montré que, selon les conditions physico-chimiques et de chauffage, la gamme de taille où les agrégats fractals présentent une dimension fractale égale à 2 peut être étendue de 10 à 60 µm.Troisièmement, nous avons développé un nouveau processus de structuration pour filer des gels d'agrégats fractals par une combinaison de micro écoulement et de gélification induite par le Ca2+. Nous avons montré que les fibres ainsi formées présentaient une structure cœur-écorce. De plus, la taille et la stabilité de la fibre étaient dues à une interaction complexe entre différents phénomènes : contraintes hydrodynamiques, cinétique de gélification, changements locaux de pH pendant la gélification et contraintes osmotiques.Enfin, la caractérisation de la gélification d'agrégats fractals par le Ca2+ a été étudiée dans une géométrie bi-dimensionnelle afin d'avoir un aperçu des différents phénomènes qui gouvernent la formation et la structure de la fibre. En particulier, nous avons montré la présence d'un flux osmotique qui concentre les agrégats dans un front et forme l'enveloppe de la fibre.

Despite over 50 years of study, key questions on the bacterial cell cycle remain unanswered. In particular, the debate is open concerning the regulation of DNA replication initiation in E. coli and its role in the dynamics of cell growth and division. A key player in these processes is the DnaA protein, which is involved the initiation of DNA replication. DnaA is commonly believed to be a cell cycle oscillator and a cell size sensor, but neither of these facts have been firmly established.DnaA activity depends on its nucleotide bound state, the ATP bound form being the active one for origin recognition and activation. DnaA is also a transcription factor, a highly connected node in the network of genes coding for proteins required for DNA replication and the repair of DNA damage. The differential regulation of gene expression by the different DnaA nucleotide bound forms, including the regulation of its own promoter, is believed to be central in its role of cell-cycle oscillator and regulator. Indeed, because of its double role as a transcription factor and an activator of the initiation of the DNA replication process, the DnaA protein can act as the regulatory link between the timing and level of gene expression and the different phases of the bacterial cell cycle.This thesis addresses the problem of identifying the cell cycle oscillator related to DnaA activity, and relating it to the progression of the E. coli cell cycle, focusing in particular on cell-size sensing, individual cell growth rate, and cell division.One of the major challenges in this area has been to quantify the changes in DnaA-ATP activity in vivo in real time. This problem requires single-cell dynamic resolution, in order to relate DnaA levels and activity to key cell-cycle transitions. To address this problem, I have developed a set of reporters of gene expression using a gene for a fluorescent protein under control of a promoter that is regulated by DnaA-ATP, and deployed them in single-cell experiments coupling quantitative microscopy and microfluidics.To obtain robust and long-term single-cell tracking in steady growth conditions I have designed a dedicated experimental setup and data-analysis pipeline for studying the growth, size, and gene expression of E. coli in controlled environmental conditions.A careful analysis of these single cell data as a function of the cell cycle shows that E. coli growth is biphasic and it follows the expression of a constitutive ori-proximal promoter.Moreover, thanks to the analysis of different reporters, I was able to quantify for the first time the effect of the DnaA-dependent promoter regulatory elements. Specifically, I found that the volume-specific production rate of GFP from the DnaA promoter is a well-defined cell-cycle oscillator and that the signal from this oscillator can be related to key cell-cycle processes such as DNA replication and cell division.However, while the standard view of the cell cycle sees it as the result of a single oscillator, our data lead me to suggest that at least two coupled oscillators are needed to describe the processes that coordinate DNA replication, cell growth and cell-cycle progression. My approach also makes it possible to detect causality links between these different processes.These findings combine the use of mathematical models and single-cell dynamic data to pose firmer quantitative bases for a characterization of the mechanisms determining robust cell cycle progression in bacteria., Malgré plus de 50 ans d'études, des questions clés sur le cycle cellulaire bactérien restent sans réponse. En particulier, le débat est ouvert concernant la régulation de l'initiation de la réplication de l'ADN chez E. coli et son rôle dans la dynamique de la croissance et de la division cellulaire. Un acteur clé de ces processus est la protéine DnaA, qui est impliquée dans l'initiation de la réplication de l'ADN. On pense généralement que DnaA est un oscillateur du cycle cellulaire et un senseur de taille cellulaire, mais aucun de ces faits n'a été fermement établi.L'activité de DnaA dépend de son état de liaison aux nucléotides, la forme liée à l'ATP étant celle qui est active pour la reconnaissance et l'activation de l'origine. DnaA est également un facteur de transcription, un nœud hautement connecté dans le réseau des gènes codant pour les protéines nécessaires à la réplication de l'ADN. La régulation différentielle de l'expression des gènes par les différentes formes liées aux nucléotides de DnaA, y compris la régulation de son propre promoteur, est considérée comme centrale dans son rôle d'oscillateur et de régulateur du cycle cellulaire. En effet, en raison de son double rôle de facteur de transcription et d'activateur de l'initiation du processus de réplication de l'ADN, la protéine DnaA peut agir comme le lien régulateur entre le timing et le niveau d'expression des gènes et les différentes phases du cycle cellulaire bactérien.Cette thèse aborde le problème de l'identification de l'oscillateur du cycle cellulaire lié à l'activité de DnaA, et de sa mise en relation avec la progression du cycle cellulaire de E. coli, en se concentrant en particulier sur la détection de la taille des cellules, le taux de croissance des cellules individuelles et la division cellulaire.L'un des principaux défis dans ce domaine a été de quantifier les changements dans l'activité DnaA-ATP in vivo en temps réel. Ce problème nécessite une résolution dynamique de cellule unique, afin de relier les niveaux et l'activité DnaA aux transitions clés du cycle cellulaire. Pour résoudre ce problème, j'ai développé un ensemble de rapporteurs d'expression génétique utilisant un gène pour une protéine fluorescente sous le contrôle d'un promoteur qui est régulé par DnaA-ATP.De plus, j'ai conçu un dispositif expérimental couplant microscopie quantitative et microfluidique et un pipeline d'analyse de données dédiés à l'étude de la croissance, de la taille et de l'expression génétique des E. coli dans des conditions environnementales contrôlées.Une analyse minutieuse de ces données de la cellule unique en fonction du cycle cellulaire montre que la croissance de E. coli est biphasique et qu'elle suit l'expression d'un promoteur constitutif ori-proximal.De plus, grâce à l'analyse de différents reporters, j'ai pu quantifier pour la première fois l'effet des éléments régulateurs du promoteur dépendant de DnaA. Plus précisément, j'ai découvert que le taux de production de GFP spécifique du volume à partir du promoteur DnaA est un oscillateur du cycle cellulaire bien défini et que le signal de cet oscillateur peut être lié aux processus clés du cycle cellulaire tels que la réplication de l'ADN et la division cellulaire.Cependant, alors que la vision standard du cycle cellulaire le considère comme le résultat d'un seul oscillateur, nos données me conduisent à suggérer qu'au moins deux oscillateurs couplés sont nécessaires pour décrire les processus qui coordonnent la réplication de l'ADN, la croissance cellulaire et la progression du cycle cellulaire. Mon approche permet également de détecter des liens de causalité entre ces différents processus.Ces résultats combinent l'utilisation de modèles mathématiques et de données dynamiques du cellule unique afin de poser des bases quantitatives plus solides pour une caractérisation des mécanismes déterminant une progression robuste du cycle cellulaire chez les bactéries

Characterizing colloidal dispersions according to their concentration in colloids in a minimum of time is the heart of this thesis project. To reach this goal, measurements of the osmotic pressure of the dispersions, i.e. their resistance to concentration, can be carried out at different concentrations and for various experimental conditions (pH, salts concentration etc.). The common use of dialysis sacks allows such measurements, but with major drawbacks: these so-called "osmotic compression" experiments require weeks to reach the equilibrium and they cannot be in-situ monitored. Therefore, the aim of this work is to implement high throughput osmotic compression experiments, which also allow in-situ observations of the studied colloidal system.To do so, the microfluidic scale seems to be particularly smart. Following the ultra-fast prototyping of PEG-diacrylate-based devices, the issue is to integrate nanoporous membranes inside the channels by photopolymerization of a PEGDA-based hydrogel. The microfluidic chip is then turned into a “membrane micro-osmometer”. Thus, measurements of the osmotic pressure of the dispersions and in-situ observations whenever during the experiment and wherever in the system are then possible, using a simple optical microscope.Thanks to this technology, the equation of state of a colloidal dispersion, i.e. the evolution of its osmotic pressure as a function of its concentration, but also a great deal of information on the physico-chemical state of the particles or on their structural organization during the compression can be obtained, in just a few hours, paving the way to high throughput screening of complex fluids., Caractériser les dispersions colloïdales en fonction de leur concentration en colloïdes en un minimum de temps constitue le cœur du sujet de cette thèse. Pour y parvenir, des mesures de la pression osmotique des dispersions, c’est-à-dire de leur résistance à la compression, peuvent être réalisées à différentes concentrations et pour diverses conditions expérimentales (salinité, pH etc.). L’utilisation classique de sacs de dialyse permet de telles mesures, mais, inconvénients majeurs, ces expériences dites « de compression osmotique » nécessitent des semaines d’équilibrage et ne peuvent pas être suivies in-situ. Le but de ces travaux consiste donc à mettre en œuvre des expériences de compression osmotique à haut débit, permettant également d’observer in-situ le système colloïdal à l’étude.Pour se faire, l’échelle microfluidique (10-100 µm) apparaît comme pertinente. A la suite du prototypage ultra-rapide de dispositifs fabriqués en PEG-diacrylate, l’enjeu est d’y intégrer des membranes nanoporeuses par photopolymérisation in-situ d’un hydrogel de PEGDA. La puce microfluidique ainsi transformée en un « micro-osmomètre à membrane », mesures de la pression osmotique des dispersions et observations in-situ à tout instant de l’expérience et en tout point du système sont alors possibles, à l’aide d’un simple microscope optique.Grâce à cette technologie, l’équation d’état d’une dispersion colloïdale, c’est-à-dire l’évolution de sa pression osmotique en fonction de sa concentration, mais également nombre d’informations sur l’état physico-chimique des particules ou encore sur leur organisation structurale pendant la compression peuvent être obtenues, en seulement quelques heures, ouvrant ainsi la voie à un criblage rapide de divers fluides complexes.

Currently, a high number of drug candidates fail to obtain their marketing authorization or are withdrawn afterwards. This is mostly due to their side effects on the liver, which is the main organ responsible for drug metabolism, that have not been detected by animal testing. The pharmaceutical industry therefore needs new preclinical tools, in order to detect, as early as possible, the potential hepatotoxicity of newly developed molecules. Innovative microsystems providing more physiological conditions for cell culture, including flow generation, have been developed worldwide. However, they do not reproduce all the specificities of the liver, and not least the Hering channel, which is the transition area between hepatocytes, producing the bile, and cholangiocytes, draining it inside bile ducts. Thus, the main goal of this thesis was the development of a new microfluidic system mimicking this structure in vitro. The HepaRG cell line and cells derived from human induced pluripotent stem cells were used. This project was a collaboration between d’Alembert Institute at ENS Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette), and the UMR-S 1193 INSERM group, at Paul Brousse hospital (Villejuif). We demonstrated that our systems were reproducing certain liver functions and were therefore promising tools for drug toxicity assessment., Actuellement, un grand nombre de médicaments développés échouent à obtenir leur autorisation de mise sur le marché ou se la voient retirer. Les causes en sont majoritairement leurs effets secondaires sur le foie, principal organe responsable de leur métabolisation, non détectés par les tests chez l’animal. C’est pourquoi l’industrie pharmaceutique a besoin de nouveaux outils précliniques, afin de détecter le plus tôt possible la potentielle hépatotoxicité des nouvelles molécules thérapeutiques. Des microsystèmes innovants, offrant aux cellules des conditions de culture de plus en plus physiologiques en les soumettant à un flux, sont développés. Cependant, certains aspects du foie n’ont jamais été reproduits dans ces systèmes : c’est le cas du canal de Hering, zone de transition entre les hépatocytes, sécrétant la bile au sein des canalicules, et les cholangiocytes, bordant les canaux biliaires et chargés de l’évacuer. Ainsi, l’objectif de cette thèse était d’élaborer un modèle de puce microfluidique permettant de reproduire cette structure in vitro. La lignée cellulaire HepaRG, puis des cellules différenciées à partir de cellules souches pluripotentes induites humaines, ont été utilisées. Ce projet s’est déroulé en collaboration entre les équipes de l’institut d’Alembert à l’ENS Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette) et de l’UMR_S 1193 de l’INSERM, à l’hôpital Paul Brousse (Villejuif). Nous avons montré que ces nouveaux systèmes permettaient de reproduire certaines fonctions hépatocytaires, en faisant ainsi des outils prometteurs pour l’analyse de la toxicité de médicaments.

This thesis focuses on the localization of moving subcentimetric objects. The growing interest in this topic comes with the development of the field of mobile microrobotics. Indeed, many untethered miniature robots are considered for in vivo medical applications. In parallel, microrobotic techniques are also being studied for various in vitro operations at the level of single biological cells. However, these precise operations imply to guarantee the positioning of the manipulated entities. Access to positional information is therefore essential for these applications of microrobotics in the biomedical domain.To address this need, this thesis proposes innovative localization methods exploiting the electrical impedance variations induced by the presence of the object of interest between several electrodes. Electrical impedance tomography is an emerging medical imaging method that was used to reconstruct a map of the entire workspace of a mobile small-scale robot. Magnetic microrobots moving in this space can be identified on this map and tracked during their motion. In a microfluidic environment, using a system with fewer electrodes, thus giving access to fewer impedance measurements, microparticles moving at high speed can also be localized over time. Without mapping the entire sensing volume, a state observation method (the extended Kalman filter) was used to estimate the position of the particles by combining a known model of their motion with the obtained impedance measurements.As a result, this thesis shows by various methods that the exploitation of impedance variations induced by the presence of a subcentimetric object between several electrodes can be used to determine its position., Cette thèse s'intéresse à la localisation d'objets subcentimétriques en mouvement. L'intérêt croissant pour ce sujet provient de l'émergence du champ de la microrobotique mobile. En effet, de nombreux robots miniatures à actionnement sans contact sont envisagés pour des applications médicales in vivo. De plus, des techniques microrobotiques sont également à l'étude pour des opérations in vitro variées à l'échelle d'une cellule biologique unique. Toutefois, l'exécution précise de ces opérations implique de garantir le positionnement des entités manipulées. L'accès à une information de position est donc essentiel pour ces applications de la microrobotique dans le domaine biomédical.Pour répondre à ce besoin, cette thèse propose des méthodes de localisation innovantes basées sur des mesures d’impédance électrique. La méthode de la tomographie d'impédance électrique a été utilisée pour reconstruire une cartographie de la totalité d'un espace de travail. Des microrobots magnétiques se déplaçant dans cet espace ont pu être identifiés sur cette cartographie et suivis au cours de leurs mouvements. En milieu microfluidique, dans un système comportant moins d'électrodes, donnant donc accès à moins de mesures d'impédance, des microparticules se déplaçant à haute vitesse ont également pu être localisées au cours du temps. Sans cartographier la totalité de l'espace de travail, une méthode d'observation d'état (le filtre de Kalman étendu) a permis de combiner un modèle connu du déplacement des particules avec les mesures d'impédance réalisées pour estimer leur position.Ainsi, cette thèse montre par différents procédés que l’exploitation des variations d’impédance induites par la présence d’un objet subcentimétrique entre plusieurs électrodes peut permettre de déterminer la position de celui-ci.

Cell-penetrating peptides can cross cell membranes and deliver biologically active molecules into cells with a limited cytotoxycity. They are internalized by endocytic pathways as well as by direct translocation. Although interaction partners of the plasma membrane have been identified, the molecular mechanisms of the direct translocation pathway remain hypothetical and the key structures of these mechanisms are not clearly identified. We studied the translocation of the cell-penetrating peptide Penetratin on membrane models formed at the droplets interface. Our experiments demonstrated a stochastic and cooperative character of the translocation process. The presence of anionic lipids is crucial for the recruitment of the peptide and its translocation. However, the nature of the anionic polar head group of lipids dictates the favourability of the bilayer crossing. Indeed, translocation was observed on POPG bilayers but not on POPS bilayers. Experiments on asymmetric bilayers showed that the composition of the distal leaflet is decisive for the translocation. Investigation on the membrane potential in the presence of Penetratin was studied in order to obtain insights into the bilayer destabilisation. Finally, a last approach consists in developing a microfluidic chip to obtain a high-performance platform for the study of cell-penetrating peptides., Les peptides vecteurs se caractérisent par leur capacité à traverser les membranes cellulaires. Ils peuvent transporter des cargaisons au sein des cellules avec une faible cytotoxicité et présentent donc un intérêt particulier pour la délivrance de molécules bioactives. Leur internalisation a lieu par endocytose et translocation directe. Bien que des partenaires d’interaction de la membrane plasmique aient été identifiés, les mécanismes moléculaires de la translocation directe restent hypothétiques et les structures clés de ces mécanismes n’ont pu être clairement identifiées. Nous avons étudié la translocation du peptide vecteur Pénétratine sur un modèle original de membranes formées à l’interface de gouttes. Nos expériences ont montré que la translocation revêt un caractère coopératif et stochastique et est dépendante de la présence de lipides anioniques nécessaires au recrutement du peptide et à sa traversée. Cependant, la nature de la tête polaire des lipides anioniques a un impact sur la translocation et le recrutement du peptide par ces lipides est une condition nécessaire mais non suffisante à la translocation. Celle-ci est favorisée en présence de lipides POPG mais pas en présence de lipides POPS. Les expériences sur bicouches asymétriques ont également montré que le feuillet distal est impliqué dans ce processus. Le potentiel de membrane en présence de Pénétratine a été étudié afin de dégager des pistes de description de la déstabilisation de la bicouche. En parallèle, nous nous sommes penchés sur le développement d’une puce microfluidique pour la formation et le piégeage des membranes afin d’obtenir une plateforme performante pour l’étude des peptides vecteurs.

This thesis aims to develop a micro sensor using electromagnetic waves (100 MHz - 20 GHz range) to measure the dielectric properties of biological cells. This technique presents the advantage to be non-invasive, which makes it particularly interesting to monitor intracellular reactions. This principle of measuring the broadband "dielectric footprint" of a biological medium will be implemented using transmission lines whose characteristics will depend on the biological cells properties. The challenge of the thesis is therefore to design, fabricate and experimentally characterize this device so that it can operate at the scale of a single biological cell (typical size 10 μm). The purpose is the extraction of the intracellular dielectric parameters making it possible to discriminate between biological cells, Ce sujet de thèse propose le développement d'un capteur exploitant les ondes électromagnétiques (gamme 100 MHz - 20 GHz) pour mesurer les propriétés diélectriques de composés biologiques. Un avantage indéniable de ce type d'analyse est son caractère non-invasif permettant de garder l'environnement biologique intègre. Ce principe de mesure de la "signature diélectrique" large bande d'un milieu biologique sera mis en œuvre à l'aide d'une ligne de propagation dont les caractéristiques seront couplées à celles du composé biologique. L'enjeu de la thèse est donc de concevoir, réaliser et caractériser ce dispositif afin qu'il puisse être opérationnel à l'échelle d'une cellule biologique unique (taille 10 um). La finalité est l'extraction des paramètres diélectriques intracellulaires permettant de discriminer les cellules entre elles

End-stage lung diseases may result in death either by oxygenation and carbon dioxide exchange insufficiency or by right heart failure. Concerning the therapeutic options currently available, macroscopic blood oxygenators based on extracorporeal membrane (ECMO) technology are currently used. However, the environment of an intensive care unit is still required. Modern oxygenators need to be exchanged within a couple of weeks because of clotting.In this context, the goal of my PhD was the development of a novel microfluidic device for blood oxygenation, which exhibits a large surface area of gas exchange and can support long-term sustainable endothelialization of blood microcapillaries enhancing its hemo-compatibility for clinical applications. Numerical calculations based on the gas exchange model of Potkay et al. helped to best size the three-layer "blood microcapillary / membrane / gas microchannel" system.I then developed a microfabrication protocol that allows the integration of a thin polymer membrane with a very large surface area, producing robust sealed oxygenators.The gas exchange performances achieved with venous pig blood are remarkable both for unit trilayers, and for stacked structures with a low reduced injection volume, high oxygenation (379 ml O2 / min / m²) at a flow rate high (15 ml/min). These experimental results could be compared to numerical calculations. Finally, with an optimized geometry minimizing shear stress, a sustainable endothelialization protocol in blood capillaries has been proposed.; Le poumon est un organe vital dont les pathologies au stade terminal peuvent induire une insuffisance circulatoire avec une défaillance cardiaque droite secondaire. Concernant les options thérapeutiques disponibles, des oxygénateurs sanguins macroscopiques basés sur la technologie des membranes extracorporelles (ECMO) sont actuellement utilisés au sein d'une unité de soins intensifs. Ces oxygénateurs doivent être remplacés en quelques semaines en raison de la coagulation dans le système.Dans ce contexte, le but de mon doctorat était de développer un dispositif microfluidique pour l'oxygénation du sang, qui présente une grande surface d'échange gazeux et capable de soutenir une endothélialisation durable à long terme des microcapillaires sanguins améliorant son hémocompatibilité pour les applications cliniques.Des calculs numériques basés sur le modèle d’échange gazeux de Potkay et coll. ont permisde comprendre le rôle de chaque paramètre géométrique sur l’échange gazeux et, donc, de dimensionner au mieux le système tri-couches « microcapillaire de sang / membrane / microcanal de gaz ».J’ai ensuite mis au point un protocole de microfabrication qui permet d’intégrer une membrane fine de polymère de très grande surface, et de fabriquer des oxygénateurs robustes et étanches sous pression.Les performances d’échange gazeux mesurées avec du sang veineux de cochon sont remarquables, tant pour les tri-couches unitaires que pour les structures empilées, avec un faible volume d’injection et une oxygénation élevée (379 ml O2/min/m²) à débit élevé (15ml/min). Ces résultats expérimentaux ont pu être comparés aux calculs numériques. Enfin, avec une géométrie optimisée pour minimiser la contrainte de cisaillement, un protocole d’endothélialisation durable dans les capillaires sanguins a été proposé.

Bone is a hybrid material that combines a dense and organized organic matrix of collagen fibrils and a mineral network of hydroxyapatite. The formation of this hierarchical material has often been studied biologically. How to study it from a physicochemical point of view and thus be able to reproduce the organization at the suprafibrillar scale? We propose to identify these parameters by applying in vitro constraints to the mesophases of collagen in order to control the 3D spatial arrangement of the oriented domains. Microfluidic chambers mimicking compact bone and emulsion methods mimicking the cancellous bone-bone marrow interaction were used. These models made it possible to highlight the involvement, in particular, of confinement, collagen flow and network geometry in the resulting fibrillar organization. Microscopy techniques reveal that these biological organizations result from the texturization of collagen mesophases on a macroscopic scale through the observation of defects inherent in the geometry of the tissues. This study opens up perspectives in the understanding of the physicochemical mechanisms and the organization of in vivo anisotropic domains involved in morphogenesis and biomineralization. It opens up prospects for tissue engineering to repair larger defects and promote osteoinduction.; L’os est un matériau hybride qui associe une trame organique dense et organisée de fibrilles de collagène et un réseau minéral d’hydroxyapatite. La formation de ce matériau hiérarchisé a été souvent étudié biologiquement. Comment l'étudier d’un point de vue physico-chimique et ainsi pouvoir reproduire l’organisation à l’échelle suprafibrillaire ? Nous proposons d’identifier ces paramètres en appliquant in vitro des contraintes aux mésophases du collagène afin de contrôler l’arrangement spatial 3D des domaines orientés. Des chambres microfluidiques mimant l’os compact et des procédés d’émulsion mimant l’interaction os spongieux-moelle osseuse ont été utilisés. Ces modèles ont permis de mettre en évidence l’implication, notamment, du confinement, du flux en collagène et de la géométrie du réseau dans l’organisation fibrillaire résultante. Les techniques de microscopies révèlent que ces organisations biologiques sont issues de la texturisation des mésophases du collagène à l’échelle macroscopique grâce à l’observation de défauts inhérents à la géométrie des tissus. Cette étude ouvre des perspectives dans la compréhension des mécanismes physico-chimiques et l’organisation des domaines anisotropes in vivo intervenant dans la morphogénèse et la biominéralisation. Elle ouvre des perspectives pour l’ingénierie tissulaire afin de réparer de larges défauts et favoriser l’ostéoinduction.

Neuronal circuits are at the basis of behaviors such as motor coordination or learning and memory. As being part of a network, neurons communicate at synapses through finely tuned molecular and cellular processes. One key mechanism regulating synapse homeostasis involves transport of vesicles within axons and dendrites which is dysregulated in many neurological disorders such as Rett syndrome, Alzheimer’s (AD) and Huntington’s diseases (HD). Thus, deciphering the regulation of vesicular transport within neurites in physiological context is crucial to understand, and potentially restore, the consequences of these dysregulations in pathological contexts.Huntingtin (HTT) protein, known for its devastating role in HD when mutated, is a key actor of axonal transport. It promotes and regulates vesicular transport in neurites by scaffolding adaptors and molecular motors. Particularly, HTT phosphorylation status on S421 regulates the directionality of BDNF, APP and VAMP-7 vesicles within neurites in cultured and transfected neurons. However, several questions remain to be elucidated regarding the mechanisms and the consequences of this HTT-dependent regulation of axonal transport such as the neuritic specificity (axons or dendrites) and the behavioral consequences of such modifications. Finally, we do not know whether transport regulation can be influenced in pathological conditions to restore disease-associated phenotypes in vivo.This thesis aims at characterizing in vivo the mechanisms and the consequences of axonal transport regulation of three different vesicles through the phosphorylation of Huntingtin at S421 and to investigate its propensity to restore disease-associated phenotypes in mouse models of human neurological disorders.In order to reproduce in vitro the in vivo networks associated to neurological disorders we used microfluidic devices. We investigated the transport of Amyloid Precursor Protein (APP) vesicles, precursors of synaptic vesicles (SVPs) or dense-core vesicles (DCVs) in neurons in which the HTT phosphorylation status was modified. These neurons came from mice in which Serine 421 has been replaced by an aspartic acid to mimic the phosphorylated form of HTT (HTTS421D) or by an alanine to mimic the unphosphorylatable form of HTT (HTTS421A).Transport of APP vesicles is impaired in AD. We investigated APP transport and accumulation at synapses within a corticocortical circuit. We found that Akt-mediated HTT phosphorylation at S421 regulates the directionality of APP containing vesicles in axons but not in dendrites: the phospho-defective form of HTT decreases axonal anterograde flux of APP and reduces its levels at presynaptic zones both in vitro and in vivo. Reducing anterograde flux of APP in familial AD mouse model restored synapse homeostasis in vivo and memory deficits (Publication 21; Bruyere*, Abada*, Vitet* et al., eLife, 2020).SVP axonal transport regulates the number of SVs at the synapse, which, within a corticostriatal synapse, is essential for motor skill learning. We found that HTT phosphorylation increases the recruitment of the molecular motor KIF1A on SVPs, thus promoting anterograde transport and the probability of release. Silencing KIF1A in the corticostriatal network of HTTS421D mice, we found that pHTTS421 increases the number of SVs at the synapse and impairs procedural memory through a specific HTT-KIF1A dependent mechanism. This study defines a pathway by which axonal transport of SVP impact the behavioral phenotype. (Publication 2; Vitet et al, in prep)Finally, it has been shown that BDNF transport within DCVs is dysregulated in the corticostriatal network of Rett syndrome’s patients. We found that endogenous HTT phosphorylation at S421 or a chemical inhibitor of calcineurin (FK506) rescue BDNF transport in the corticostriatal network, neuronal communication, and behaviors of Rett Syndrome mice (Publication 3; Ehinger et al., Embo Mol Med,2020)., Les circuits neuronaux régissent les comportements tels que la coordination motrice ou la mémoire et l’apprentissage. Au sein d’un réseau, les neurones communiquent par des processus moléculaires et cellulaires finement réglés à la synapse. Un des mécanismes régulant l’homéostasie synaptique, le transport de vésicules dans les neurones, est dérégulé dans les maladies neurologiques telles que le syndrome de Rett, la maladie d’Alzheimer et la maladie d’Huntington. Ainsi, investiguer la régulation du transport de vésicules dans les neurites dans un contexte physiologique est important pour comprendre, et potentiellement rétablir, les conséquences de ces dérégulations pathologiques.La protéine Huntingtine (HTT), connue pour son implication dans la maladie d’Huntington, est un acteur clé du transport axonal. Elle promeut et influence le transport des vésicules en favorisant le recrutement des adaptateurs et des moteurs moléculaires. Sa phosphorylation sur la sérine 421 (pHTTS421) régule la directionnalité des vésicules de BDNF, d’APP et de VAMP-7 dans des neurones transfectés in vitro. Cependant, les mécanismes et les conséquences de la régulation du transport par HTT comme la spécificité neuritique et les conséquences comportementales restent peu connus. Enfin, nous ignorons si la régulation du transport peut être influencée dans des conditions pathologiques afin de restaurer les phénotypes in vivo.Ce projet de thèse vise à caractériser les mécanismes et les conséquences de la régulation du transport axonal de trois types de vésicules par pHTTS421 et d’investiguer sa propension à restaurer les phénotypes associés à des maladies neurologiques dans des modèles de souris.Dans le but de reproduire in vitro les réseaux associés à des maladies neurologiques, nous avons utilisé des chambres microfluidiques. Nous avons étudié le transport des vésicules d’APP, des précurseurs des vésicules synaptiques (PVSs) ou des vésicules à cœur dense (VCDs) contenant BDNF au sein d’un réseau neuronal dans lequel pHTTS421 a été modifiée. Ces neurones sont issus de souris pour lesquelles la sérine 421 a été remplacée par un acide aspartique ou par une alanine pour mimer respectivement l’état phosphorylé (HTTS421D) ou non phosphorylable (HTTS421A) de la HTT.Dans la maladie d’Alzheimer, l’homéostasie d’APP est dérégulée. Nous avons donc étudié son transport et son accumulation synaptique dans un circuit corticocortical. Nous avons trouvé que la phosphorylation de la sérine S421 par Akt régule la directionnalité des vésicules d’APP uniquement dans les axones : HTTS421A diminue le flux antérograde axonal d’APP ainsi que ses niveaux à la synapse in vitro et in vivo. Réduire le flux antérograde d’APP dans un modèle murin d’Alzheimer restaure l’homéostasie synaptique in vivo et les déficits de mémoire associés (publication 1 ; Bruyère*, Abada*, Vitet* et al., eLife, 2020).Le transport axonal des PVSs régule le nombre de vésicules synaptiques (VSs), ce qui, dans un réseau corticostriatal, est essentiel à l’apprentissage de compétences motrices. Nous avons montré que pHTTS421 augmente le recrutement de la kinésine KIF1A sur les PVSs, augmentant le transport antérograde et la probabilité d’exocytose. En réduisant les niveaux de KIF1A dans le réseau corticostriatal des souris HTTS421D, nous avons trouvé que pHTTS421 augmente le nombre de VSs et altère la mémoire procédurale. Cette étude décrit comment le transport axonal des PVSs impacte les phénotypes comportementaux (publication 2 ; vitet et al., in prep).Enfin, le transport de BDNF est dérégulé dans le réseau corticostriatal des jeunes filles atteintes du syndrome de Rett. Nous avons observé que l’expression endogène de pHTTS421 ou l’injection d’un composé inhibant la calcineurine (FK506) restaure le transport de BDNF dans un réseau corticostriatal, la communication neuronale et les symptômes associés chez les souris modèles du syndrome de Rett (Publication 3 ; Ehinger et al., Embo Mol Med, 2020).

This thesis, motivated by the industrial challenges of the understanding of the mecanisms of enhanced oil recovery, sheds new light on the more fondamental problem of the transport of suspensions inconfined environments. Our goal is to understand how the interplays between structure, drive anddisorder shape the large-scale dynamics of driven two dimensional suspensions. By developing microfluidic model experiments, we adress the two following fundamental questions: the plastic depinning transition of an emulsion driven in a disordered media and the melting transition of cristalline emulsions induced by hydrodynamic fluctuations.On a first hand, we demonstrate that the mobilization of an emsulsion driven through a quenched disordered environment is a critical depinning transition. The criticality of the transition emerges fromthe interplay between the contact interactions and the focusing of the hydrodynamic drive in the mobilization pattern that takes the shape of a smectic river network. This transition shares common features with classical depinning transitions observed in systems such as Abrikosov vortex lattices orcharged colloïds in two dimensions. But it also displays strong differences which can be explained bythe strong coupling between the hydrodynamic drive and the mobilization structure that it induceslocally.On a second hand, we investigate the melting of crystals in two dimensions. While the stability ofcrystalline phases regarding thermal fluctuations has been elucidated recently, stability regarding outof-equilibrium fluctuations remains an open question. We established the melting of crystals driven by homogeneous hydrodynamic flow. We demonstrate experimentally that the flow does not only lead toa trivial translation of the crystal. The fluctuations of the fluid velocity field induce a first-order transition between a crystal and a disordered liquid. This melting is radically different from the two-steps melting scenario of Kosterlitz, Thouless, Halperin, Nelson and Young at equilibrium. The hydrodynamic fluctuations enable the coexistence between a liquid disordered phase and a cristalline phase withtout the intermediate hexatic one.; Cette thèse, motivée par l'enjeu industriel de la compréhension des mécanismes de récupération assistée du pétrole, apporte un éclairage nouveau sur le problème plus fondamental de la dynamique de transport de suspensions en milieux confinés. Notre objectif est de comprendre comment les couplages entre structure, forçage et désordre conditionnent la dynamique grande échelle de suspensions en écoulement. En développant des expériences microfluidiques modèles, nous avons pu aborder deux questions fondamentales: la transition de dépiégeage plastique d'une émulsion transportée au sein d'un milieu désordonné et la transition de fonte d'émulsions cristallines induite parles fluctuations hydrodynamiques.Nous avons montré dans un premier temps que la mobilisation d'une émulsion au sein d'un désordre gelé est une transition critique de dépiégeage. La criticalité de cette transition émerge du couplage entre les interactions de contact et la focalisation du forçage hydrodynamique au travers du motif de mobilisation qui prend la forme d'un réseau de rivières smectique. Cette transition partage un certain nombre de caractéristiques communes avec les transitions de dépiégeage plastique observées dans les réseaux de vortex d'Abrikosov ou encore dans les dispersions colloïdales à deux dimensions. Mais elle présente aussi des différences fondamentales qui s'expliquent par le couplage intime entre le forçage hydrodynamique et la structure de mobilisation qu’il induit localement.Dans un second temps, nous nous sommes intéressés à la fonte de cristaux en deux dimensions. Sile problème familier de la stabilité des cristaux bidimensionnels face aux fluctuations thermiques a été tranché récemment, celui de leur stabilité face à des fluctuations hors équilibre reste un problème ouvert. Nous avons mis en évidence la fonte d'émulsions cristallines forcées par des écoulements homogènes. Nous avons démontré expérimentalement que cet écoulement en apparence simple ne participe pas qu’à la translation triviale du matériau. Les fluctuations du champ de vitesse autour de l’écoulement moyen induisent une transition de phase discontinue entre solide cristallin et liquide désordonné. Ce processus de fonte est radicalement différent du scénario de fonte en deux étapes prédit par Kosterlitz, Thouless, Halperin, Nelson et Young à l’équilibre. Les fluctuations hydrodynamiques permettent la coexistence entre une phase liquide désordonnée et une phase cristalline ordonnée sans intermédiaire hexatique.

Photocatalysis is a cost-effective and renewable process, able to degrade organic pollutants, namely the new “emergent pollutants”. Those emergent pollutants are pollutants which detection is new, and which are not efficiently removed from wastewater by the current water treatment plants. To perform photocatalysis, it is necessary to use a photocatalyst, often a metallic oxide. ZnO nanowires have proven their efficiency as photocatalysts, despite a few problems with their use. ZnO is thus a promising solution to develop innovant processes, able to degrade those emergent pollutants from the environment, and so improving the quality of accessible water.The first part of this thesis focuses on metallic doping of the ZnO nanowires. The doped samples demonstrated their efficiency on three different dyes: acid red 14, methylene blue and methyl orange, which are degraded more quickly compared to undoped samples. It also presents an alternative method of synthesis. The second part uses HPLC/MS to investigate the degradation of acid red 14 and methylene blue, to calculate the quantity of dye after the photocatalysis, and obtain some informations about the degradation mechanism.Finally, the third part describes the development of a microfluidic reactor containing ZnO nanowires, to perform a high-flowrate and continuous degradation of organic pollutants. The synthesis parameters of the performed in situ growth have been deeply studied to obtain the best photocatalytic efficiency, allowing to degrade acid red 14 with a better efficiency than the usual method, La photocatalyse est un procédé peu coûteux et renouvelable, permettant de dégrader les polluants organiques, notamment les polluants dits « émergents », dont la détection est récente et qui ne sont pas correctement éliminés par les stations d’épuration actuelles. Pour permettre les réactions de photocatalyse, il est nécessaire de passer par un photocatalyseur, souvent un oxyde métallique. Les nanofils de ZnO ont prouvé leur efficacité en tant que photocatalyseur, malgré quelques obstacles à leur utilisation. Le développement de nouvelles méthodes disponible pour les besoins de l’Humanité.de synthèse permettant d’augmenter l’efficacité du ZnO est donc une piste prometteuse pour le développement de nouveaux procédés permettant d’éliminer ces polluants émergents de la nature, et donc améliorer la qualité de l’eau.La première partie de cette thèse s’intéresse au dopage métallique des nanofils de ZnO. La meilleure efficacité des échantillons dopés est démontrée sur trois colorants : l’acide red 14, le bleu de méthylène et l’orange de méthyle, qui sont dégradés plus rapidement par ceux-ci, comparés aux échantillons non dopés. Elle présente également une étude d’une méthode alternative de croissance des nanofils. La deuxième partie analyse la dégradation de l’acide red 14 et du bleu de méthylène par HPLC/MS, dans le but de déterminer la quantité de colorant restante après la photocatalyse, et d’obtenir des informations sur le mécanisme de dégradation.Finalement, la troisième partie présente le développement d’un réacteur microfluidique contenant du ZnO, afin de dégrader en continu des polluants organiques à haut-débit. Les paramètres de synthèse de la croissance in situ utilisée ont été étudiés en détails afin d’obtenir la meilleure efficacité photocatalytique possible, permettant de dégrader l’acide red 14 de manière plus efficace que la méthode photocatalytique classique

The opportunistic pathogen Candida albicans is one of the most important fungi from a clinical point of view, responsible for mucosal diseases in healthy individuals up to severe infections in immunocompromised patients. A striking property of C. albicans is its ability to grow under distinct morphological forms, from the spherical budding yeast form to long filaments called hyphae.The mechanisms of fungal invasion are still poorly understood, but they involve both penetration of hyphae through the epithelial barriers and dissemination of yeasts in the bloodstream. Therefore, the mechanical properties of the fungus appear crucial to its virulence, as well as its ability to sense its environment and respond to various constraints.We developed a microfluidic device for the measurement of bending rigidity of hyphae. Yeasts are placed in front of microchannels and grow as hyphae. Then a flow is applied to bend the filaments and the bending rigidity and Young’s modulus are computed from their deflection. We have found that the modulus of the hyphal cell wall ranges around few micronewtons.By using microfluidic devices, we can implement guidance of hyphae into microchannels of various sizes in order to probe their behavior under confinement. Surprisingly, a 2D confinement can trigger a switch from a normal straight growth to a sinusoidal growth. Studies of the characteristics of these specific trajectories and of different experimental conditions triggering them have been carried out. Helices in 3D have also been observed either in agar gel or immediately upon release of the 2D confinement. Several leads to explain this behavior are explored such as the position at the tip of the Spitzenkörper, a polarity complex in hyphae.Finally, the cell cycle progression in hyphae is quite interesting and very well regulated, but nevertheless poorly studied compared to the one in budding or fission yeasts. The use of microchannels and of various stainings (nucleus, septum, microtubules) allow a precise monitoring of the different events of the cycle, leading to a better understanding of the regulation and dynamics of cell cycle in hyphae.; Le pathogène opportuniste Candida albicans est l’un des plus importants champignons d’un point de vue clinique, responsable d’infections mucosales chez les individus sains ainsi que de sévères infections chez les patients immunodéficients. Une propriété remarquable de C. albicans est sa capacité à croître sous différentes morphologies, de la levure bourgeonnante ronde à de longs filaments appelés hyphes.Les mécanismes d’invasion fongique sont toujours faiblement compris, mais ils impliquent à la fois la pénétration des hyphes à travers les barrières épithéliales et la dissémination des levures dans la circulation sanguine. Ainsi les propriétés mécaniques de ce champignon semblent cruciales à sa virulence, et également sa capacité à percevoir son environnement et à répondre à diverses contraintes.Nous avons développé un dispositif microfluidique pour la mesure du module de flexion des hyphes. Les levures sont positionnées à l'entrée de microcanaux puis croissent sous forme hyphale. Un flux est ensuite appliqué de façon à courber les filaments, et le module de flexion ainsi que le module de Young sont calculés à partir de la déflexion. Nous avons trouvé que le module de la paroi des hyphes était de quelques micronewtons.En utilisant des puces microfluidiques, nous pouvons orienter les hyphes dans des microcanaux de différentes tailles afin d’étudier leur comportement sous confinement. De façon étonnante, un confinement 2D peut déclencher une transition d’une croissance rectiligne à une croissance sinusoïdale. Les caractéristiques de ces trajectoires spécifiques et les différentes conditions expérimentales permettant leur observation ont été étudiées. Des hélices en 3D ont également été observées dans des gels d’agar ou en relâchant la contrainte 2D. Plusieurs pistes pour expliquer ce comportement sont explorées comme la position d’un complexe de polarité à l’apex, le Spitzenkörper.Enfin, la progression du cycle cellulaire chez les hyphes est particulièrement intéressante et très bien régulée, mais pourtant très peu étudiée par rapport à celle des levures à fission ou bourgeonnantes. L’utilisation de microcanaux et de différents marquages (noyau, septum, microtubule) permet un suivi précis des différents événements du cycle, ce qui mène à une meilleure compréhension de la régulation ainsi que de la dynamique du cycle cellulaire chez les hyphes.