Physico-Chemical and Microfluidic Approaches Toward Engineering Oscillating and Communicating Chemical Droplets

par Kristian Torbensen

Thèse de doctorat en Chimie-Physique

Sous la direction de Ali Abou-Hassan.

Soutenue le 28-09-2016

à Paris 6 , dans le cadre de École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre (Paris) , en partenariat avec PHysicochimie des Electrolytes et Nanosystèmes InterfaciauX (laboratoire) .

Le président du jury était Françoise Brochard Wyart.

Le jury était composé de Jean Gamby, Frederico Rossi, Valérie Cabuil, Damien Baigl.

Les rapporteurs étaient Annette Taylor, Jean-Christophe Baret.

  • Titre traduit

    Approches physicochimiques et microfluidiques vers l'ingénierie oscillante et les gouttelettes chimiques communicantes


  • Résumé

    La génération, propagation et la réception d’informations (bio/chimiques) entre les organismes individuels sont la clé de voûte de nombreux systèmes communicants intelligents et sont omniprésents dans la nature. Les colonies de lucioles synchronisent leurs flashs, et la contraction et l’expansion des muscles cardiaques sont quelques exemples parmi d’autres, où les signaux bio / chimiques générés par des sources synchronisées produisent un comportement coopératif. L’objectif final de cette thèse est de développer une plateforme fiable pour générer des réseaux de communication de liposomes, en encapsulant la réaction de Belousov-Zhabotinsky (BZ) en tant que source d’information ou un signal transmis, et d’étudier la dynamique d’un tel système. Pour atteindre cet objectif, plusieurs questions ont été abordées par une approche “bottom-up” et multi-échelle. Tout d’abord, nous avons étudié l’interaction entre des liposomes de DMPC dopés et non-dopés avec le cholestérol, l’acide myristique, tétradécylsulfate, tétradécylamine, et les espèces impliquées dans la reaction BZ en utilisant la diffusion de rayons X aux petits angles et par spectrophotométrie UV-visible. Des rangées 1D de micro-gouttelettes ont été fabriquées en encapsulant la réaction BZ en microgouttelettes au moyen de la microfluidique et la communication entre les gouttelettes adjacentes a été étudiée. Plus tard, nous avons démontré un système microfluidique facile à monter / démonter avec une conception robuste et une géométrie modulable pour générer des emulsions doubles d’eau dans l’huile dans l’eau (E/ H / O). Enfin, le comportement de ces doubles emulsions générées dans système microfluidique en utilisant des phosphoplipides comme tensioactif et du chloroforme comme phase huileuse, est rapporté. Nous avons montré, avec cette composition de la phase d’huile, que le comportement dynamique des émulsions doubles sous écoulement donne lieu à des phénomènes riches incluant la déformation et du “tip-streaming”.


  • Résumé

    Generation, propagation and reception of (bio/chemical) information between individual organisms are the keystone of many intelligent communicating systems, and are ubiquitous in Nature. Colonies of fireflies synchronize their flashes, and contraction and expansion of heart muscles are few examples among others, where bio/chemical signals generated by synchronized sources produce a cooperative behaviour. The final objective of this thesis is to develop a reliable platform for generating communicative networks of liposomes, encapsulating the Belousov-Zhabotinsky (BZ) reaction as source of information or transmitted signals, and to study the dynamics of such a system. To reach this goal, several issues were addressed by following bottom-up and multi-scale approaches. First we investigated the interaction between both bulk DMPC liposomes, and liposomes doped with cholesterol, myristic acid, tetradecylsulfate, tetradecylamine, and the species involved in the BZ-reaction by using small angle X-ray scattering (SAXS) and UV-visible spectrophotometry. Than 1D arrays of micro-droplets were fabricated by encapsulating the BZ reaction into microdroplets by means of microfluidics, and the communication between adjacent droplets was studied. Later, we demonstrated an easy to assemble/disassemble and robust design for a microfluidic device with adjustable geometry, for generating monodisperse water-in-oil-in-water (w/o/w) double emulsions. Finally, the behavior of w/o/w double emulsions generated in a microfluidic device, using phospholipids as surfactant and chloroform as the oil phase, was reported. We showed, with this composition of the oil phase, that the dynamic behaviour of the double emulsions under flow gave rise to different phenomena, such as deformation and tip-streaming.


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