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L’objectif de cette theÌ€se est la formation de capsules submillimétriques aÌ€ cœur aqueux pos- sédant une membrane fine d’hydrogel d’alginate. Ces capsules, biocompatibles, peuvent trouver des applications dans les biotechnologies. Elles sont formées par fragmentation d’un jet composé d’un cœur aqueux et d’une coque d’alginate. L’étude du co-écoulement au sein de l’injecteur a montré l’existence d’une instabilité élastique en présence de cations, souvent présents dans les milieux de culture cellulaire. L’alginate est un polyélectrolyte et les cations modifient ses propriétés viscoélastiques. Nous avons montré que cette instabilité était aÌ€ l’ori- gine d’un battement du jet composé en sortie d’extrusion. En provoquant un décentrage du cœur, l’instabilité induit une relaxation asymétrique du profil de vitesse, ce qui crée un couple qui courbe le jet. Nous avons mis en évidence cet effet en produisant des jets courbés aÌ€ partir d’une pointe biseautée. La viscosité du fluide utilisé fixe alors le degré d’asymétrie. La frag- mentation du jet est ensuite controÌ‚lée graÌ‚ce aÌ€ un actuateur piézoélectrique. Nous mesurons une décroissance de la vitesse d’onde aÌ€ la surface du jet due aux faibles valeurs du nombre de Weber, ainsi qu’une dispersion de cette vitesse qui s’amplifie. La formation de chapelets de gouttes et de faibles variations de distances entre gouttes sont aÌ€ l’origine de cette amplification. L’ajout de tensioactifs peut exacerber cet effet en induisant une tension de surface dynamique aÌ€ la surface du jet. Finalement, nous parvenons aÌ€ produire des capsules submillimétriques de taille controÌ‚lée, monodisperses, possédant une membrane fine, avec un taux d’encapsulation supérieur aÌ€ 99%.

Cette thèse, menée en collaboration avec Michelin dans le cadre de la fabrication de matériaux composites, porte sur la stabilité colloïdale du latex de caoutchouc naturel (NR). Ce latex est une dispersion colloïdale polydisperse d’un polymère naturel dans un sérum aqueux. Les particules sont stabilisées par une couche complexe de phospholipides et de protéines. Cette dispersion peut être coagulée de façon irréversible par voie physique (sous cisaillement) ou par voie physico-chimique (ajout de cations divalents ou de particules hydrophobes). Dans ce travail, nous avons étudié la coagulation du latex par les cations divalents. Pour cela nous avons utilisé des outils physico-chimiques : diagrammes de stabilité en présence de divers cations, suivi cinétique de l’agrégation des particules et mesures rhéologiques. Ensuite, nous avons sondé la surface de particules de NR, par électrophorèse, en présence de tensioactifs et aussi selon la taille des particules. Pour expliquer la coagulation, nous suggérons que l’augmentation de la force ionique écrante les interactions répulsives et que les cations forment des ponts ioniques entre les particules. Ces ponts les maintiennent au contact et l’irréversibilité du phénomène est assurée par l’adhésion entre les chaines de polymères proches de la surface. L’adsorption des tensioactifs modifie la surface des particules et la coagulation du latex. Une légère différence de charge de surface a été observée entre les particules de NR selon leur taille. Enfin, un phénomène de coagulation similaire a été obtenu avec un latex synthétique, ce qui ouvre la voie à l’exploitation industrielle de ce phénomène de coagulation.
 

The actin cytoskeleton has the unique capability of producing pushing forces at the leading edge of motile cells without the implication of molecular motors. This phenomenon has been ex- tensively studied theoretically, and molecular models, including the widely known Brownian ratchet, have been proposed. However, supporting experimental work is lacking, due in part to hardly accessible molecular length scales. We designed an experiment to directly probe the mechanism of force generation in a setup where a population of actin filaments grows against a load applied by magnetic microparticles. The filaments, arranged in stiff bundles by fascin, are constrained to point toward the applied load. In this protrusion-like geometry, we are able to directly measure the velocity of filament elongation and its dependence on force. Using numerical simulations, we provide evidence that our experimental data are consistent with a Brownian ratchet-based model. We further demonstrate the existence of a force regime far below stalling where the mechanical power transduced by the ratcheting filaments to the load is maximal. The actin machinery in migrating cells may tune the number of filaments at the leading edge to work in this force regime.

Capsules having a thin alginate hydrogel membrane and an aqueous core can be obtained by a process that involves a co-extrusion step in air followed by a sol–gel transition of the shell after immersion into a gelling bath. The possibility to encapsulate cells that further grow in these biocompatible compartments, and thus offer a versatile tool for cell culture, led us to investigate the physicochemical properties of the capsules. A cut-off pore size of the semi-permeable membrane is extrapolated from the release of polymers out of the capsule. When polymers cannot diffuse through the membrane, the osmotic pressure mismatch between the core and the surrounding medium triggers an inflation of the capsule. The swelling may reach a steady state that allows the determination of the elastic features of the hydrogel shell. On the other hand, the capsule membrane may rupture and then contract. From this stress-relaxation process, a critical deformation of the hydrogel shell above which plasticity occurs can be deduced. Finally, thanks to the physical nature of the hydrogel, the core content can be released by dissolving the membrane with the help of small electrolytes. The shell life is shown to vary inversely with the ionic strength of the solution.

Microfluidics has proven to be an efficient tool for making fine and calibrated emul- sion droplets. The parallelization of drop makers is required for producing large amounts. Here, we investigate the generation of emulsion drops along a series of shallow microchannels emerging in a deep one, in other words the step-emulsification process. The dynamics of a single drop maker is first characterized as a function of interfacial tension and viscosities of both phases. The characteristic time scale of drop formation, namely, the necking time that finally sets drop size, is shown to be principally governed by the outer phase viscosity to interfacial tension ratio with a minor correction linked to the viscosity ratio. The step emulsification process experi- ences a transition of fragmentation regime where both the necking time and drop size suddenly raise. This transition, that corresponds to a critical period of drop formation and thus defines a maximum production rate of small droplets, is observed to be ruled by the viscosity ratio of the two phases. When drops are produced along an array of microchannels with a cross flow of the continuous phase, a configuration comparable to a one-dimensional membrane having rectangular pores, a drop boundary layer develops along the drop generators. In the small drop regime, the local dynamics of drop formation is shown to be independent on the emulsion cross flow. Moreover, we note that the development of the drop boundary layer is even beneficial to ho- mogenize drop size along the production line. On the other hand, in the large drop regime, drop collision can trigger fragmentation and thus lead to size polydispersity.

The capacity of microfluidic technology to fabricate monodisperse emulsion droplets is well established. Parallelization of  droplet production is a prerequisite for using such an approach for making high quality materials for either fundamental or industrial applications where product quantity matters.  Here, we investigate the emulsification efficiency  of parallelized drop generators based on a flow focusing geometry when incorporating the role of partial wetting in order to make emulsion droplets with a diameter  below 10 microns. Confinement intrinsically encountered  in microsystems intensifies the role played by interfaces between liquids and solids.  We thus take advantage of partial wetting to enhance the maximum confinement accessible due to liquid flow focusing. We  compare the performances brought by partial wetting to more established routes such as  step emulsification. We show that the step configuration and the partial wetting regime are both well suited for being parallelized and thus open the way to the production of fine and calibrated emulsions for further applications. Finally, this new route of emulsification that exploits partial wetting between the fluids and the channel walls opens possibilities to the formation of substantially smaller droplets, as required in many fields of application.

Les colloïdes sont utilisés dans de nombreuses applications médicales tels les agents de contraste en IRM ou l'immuno-agglutination magnétique dans le diagnostic. Pour en améliorer leurs performances, l'interaction entre les particules et les milieux biologiques – en particulier les protéines – a été étudiée depuis plus de 150 ans ; mais ce phénomène n'est toujours pas correctement décrit.
La première partie de cette thèse est dédiée à une des applications des colloïdes : la détection de protéines cible. Basée sur l’orientation d’agrégats magnétiques anisotropes, une nouvelle méthode a été mise au point, permettant de mesurer un signal d'agrégation uniquement proportionnel à la quantité de protéines à doser, la limite de détection est donc abaissée. Cette technique a été validée sur un système réel : la protéine C-réactive.
La seconde partie de cette thèse est consacrée à l’adsorption des protéines sur les colloïdes. Le premier objectif a été la mise au point d'un protocole de mesure capable de fournir des données fiables ; l'adsorption a ainsi pu être caractérisée sur un système modèle, l'albumine de sérum bovin sur la silice. Les mesures obtenues ont ainsi permis de lever certains paradoxes et de proposer un nouveau modèle d’adsorption.
Enfin, ces  connaissances ont permis de comprendre comment des protéines, en s’adsorbant sur deux particules, agrègent les colloïdes. En quantité suffisante, elles peuvent également les protéger de l’agrégation, ouvrant la voie à une nouvelle méthode de stabilisation des particules.

Les bactéries jouent un rôle majeur dans notre environnement. Leur omniprésence vient de leur remarquable capacité d’adaptation. Mieux comprendre cette adaptabilité peut permettre de mieux les combattre ou mieux les utiliser. La diversité des phénotypes au sein d’une population, c'est-à-dire les différents caractères observables, et les mécanismes de diversification sont les ingrédients de l’adaptabilité des bactéries. Pour étudier l’adaptation, nous avons suivi l’évolution temporelle de la diversité au sein de populations d’Escherichia Coli lors de changements environnementaux. Nous obtenons une image de la diversité grâce à un outil de phénotypage en millifluidique qui permet d’acquérir les courbes de croissances de mille bactéries en parallèle. À travers trois exemples nous montrons la pertinence de cette approche pour lire les phénotypes d’une population et nous explorons les rôles de la diversification et de la sélection darwinienne sur les dynamiques d’adaptation observées. La variation de phase du gène ag43 et l’exposition à une concentration non létale d’antibiotique illustrent une première phase de l’adaptation régie par la compétition entre les phénotypes dont les probabilités d’apparition sont les plus élevées. Enfin nous étudions pendant trente jours l’adaptation d’une population dans un environnement épuisé. Nous observons une convergence vers un phénotype à quinze jours. Ce déterminisme est commun aux trois exemples. En revanche, la suite de cette expérience est imprédictible : l’observation est différente pour chaque répétition. Une seconde phase d’adaptation se joue, elle est dominée par l’apparition rare de mutations bénéfiques.