Influence of hydrodynamics on capture regimes at a solid surface

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 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

Influence de l’hydrodynamique sur les régimes de capture à une surface solide

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)

Sujet de thèse en cours : Influence de l’hydrodynamique sur les régimes de capture à une surface solide [Soutenance 12.07.2021]

supervisors Florence Anne Razan and Marie-Caroline Jullien (department of soft matter)sous la direction de Florence Anne Razan et de Marie-Caroline Jullien dans le département matière moll

Influence de l’hydrodynamique sur les régimes de capture à une surface solide

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)

Capture de particules solides par une surface en microcanal

National audienceConcentration measurements of biological or chemical liquid samples is a common process in numerous analysis protocols. Hydrodynamics studies achieve to predict the capture rate of molecules by a reactive surface in a straight channel. However, many applications require to measure concentration of objects whose sizes are way bigger than the molecular size (cells, particles, ...). The behavior of these objects is not described by existing theories which focus on nearly punctual objects, like molecules. In this study, we try to extend molecular theories to the capture of solid particles of non-zero size. A part of our experimental results presents a very good agreement with molecular theories, but the rest of it presents capture rates way inferior to it. On such objects, numerous works proved that the surrounding fluid can exert inertial forces which tend to push particles away from the walls. This is an hypothesis that could explain such reduction of capture performances.La mesure de concentration d'un échantillon liquide, qu'il soit biologique ou chimique, est un pro-cessus courant dans de nombreux protocoles d'analyse. Des études hydrodynamiques ont permis de prédire et de quantifier le taux de capture de molécules par une surface réactive située dans un canal droit. Pourtant, de nombreuses applications nécessitent de mesurer la concentration d'objets de taille bien supérieure à celle des molécules (cellules, particules,. . .). Le comportement de ces objets n'est pas décrit par les théories existantes qui se concentrent sur l'étude de molécules, donc d'objets consi-dérés ponctuels. Dans cette étude nous cherchons à étendre les théories moléculaires à la capture de particules solides de taille finie. Une partie des résultats expérimentaux obtenus est bien prédite par la théorie moléculaire, mais d'autres donnent des taux de capture bien moindres. Or, sur de tels objets, de nombreux travaux ont montré que le fluide environnant peut exercer une force inertielle de portance qui a tendance à repousser les particules loin des murs. C'est une hypothèse possible qui permettrait d'expliquer la réduction des performances de capture

Transport d'objets à proximité d'une surface captatrice

National audienc

Upscaling production of droplets and magnetic particles with additive manufacturing

International audiencePurpose Monodisperse microfluidic emulsions - droplets in another immiscible liquid - are beneficial to various technological applications in analytical chemistry, material and chemical engineering, biology and medicine. Upscaling the mass production of micron-sized monodisperse emulsions, however, has been a challenge because of the complexity and technical difficulty of fabricating or upscaling three-dimensional (3 D) microfluidic structures on a chip. Therefore, the authors develop a fluid dynamical design that uses a standard and straightforward 3 D printer for the mass production of monodisperse droplets. Design/methodology/approach The authors combine additive manufacturing, fluid dynamical design and suitable surface treatment to create an easy-to-fabricate device for the upscaling production of monodisperse emulsions. Considering hydrodynamic networks and associated flow resistance, the authors adapt microfluidic flow-focusing junctions to produce (water-in-oil) emulsions in parallel in one integrated fluidic device, under suitable flow rates and channel sizes. Findings The device consists of 32 droplet-makers in parallel and is capable of mass-producing 14 L/day of monodisperse emulsions. This convenient method can produce 50,000 millimetric droplets per hour. Finally, the authors extend the current 3 D printed fluidics with the generated emulsions to synthesize magnetic microspheres. Originality/value Combining additive manufacturing and hydrodynamical concepts and designs, the authors experimentally demonstrate a facile method of upscaling the production of useful monodisperse emulsions. The design and approach will be beneficial for mass productions of smart and functional microfluidic materials useful in a myriad of applications

Out-of-Equilibrium Measurements of Kinetic Constants on a Biosensor

International audienceConventional measurements of kinetic constants currently in use are performed at equilibrium and may require large volumes, especially at low association rate constant k on. If the measurements are made out of equilibrium, the values obtained may be biased by dilution of the sample with the flow of the running buffer. In some applications, the available sample volume can be very critical and requires the developmentof tools to measure kinetic constants with low volumes. In this paper, through ex-perimental, numerical simulation and a modeling combined approach, we propose aSPR-based method that relies on an out-of-equilibrium measurement, using the effectof dilution by flow to its advantage. This new method should have a significant impactin biochemistry and medical researc

To stick or not to stick: Predicting particle capture on a surface in a microchannel

International audienceParticle adhesion on a surface is a central mechanism in microsystems, from labeled nano/micro-particle adhesion on a functional surface to wall fouling. We show the significant effect of the coupling of both diffusion and inertial hydrodynamics effects at small Reynolds number, leading to a continuum from total adhesion up to no adhesion. Using a rational approach including experiments, numerical simulations and modeling, we unify in a new model the adhesion problem by introducing a new dimensionless number involving only hydrodynamics parameters. We show that adhesion can be switched on or off using only geometrical and fluidic parameters. © 2020 CBMS-000

Influence of lift forces on particle capture on a functionalized surface

International audienceNumerous situations involve the capture of particles onto a functionalized surface in a laminar flow, such as classical biomedical assays, lab on a chip devices or even biological research protocols. Being able to control this capture is thus an important issue that we address in this paper. We focus on a simple and widely used geometry, the straight microfluidic channel, in which particles undergo two weak effects: diffusion towards the functionalized surface and lift forces expelling them away from it. We show that the competition between these two weak mechanisms yields strongly different capture behavior whose occurrence depends on the value of a new lifto-diffusive dimensionless number N-LD. We show that tuning the flow rate and the channel dimension to get proper values of this number allow to trigger, via a pure hydrodynamic effect, the capture or non-capture of particles on surfaces. For example, we show that, under certain conditions, doubling the flow rate reduces the capture rate by four orders of magnitude. Additionally, we provide the particle distribution in the liquid along the channel, resulting from this competition, for different N-LD values. We believe that this work opens new perspectives for analysis and biotechnology applications. More precisely, the proposed model should extend to any transverse force that can be written in the form of a potential energy