Semestre 1 : Enseignements

Microfluidique (3 ECTS)

Intervenants : Patrick Tabeling et Marie-Caroline Jullien (ESPCI)

Le cours reprend les grandes problématiques de la microfluidique

Physique de la miniaturisation (principes, exemples pris dans la nature, les MEMS, le génie chimique, la physique colloïdale)
Hydrodynamique des petits systèmes (la microhydrodynamique, les films, les microjets…),
Microfluidique à gouttes (formation, déplacement, brisure et fusion de gouttes)
Électrohydrodynamique linéaire (électroosmose, électrophorèse – migration de particules chargées) et non linéaire (diélectrophorèse – migration de particules neutres, electroosome/électrophorèse par charge induite)
Mélange (mélange diffusif, chaotique, mélangeurs microfluidiques),
Microtransferts thermiques
Microrhéologie, Microparticules actives et passives
Microfluidique à Reynolds modéré, transferts aux parois, les écoulements dans les milieux naturels.

Techniques de microfabrication (3 ECTS)

Intervenants : Jacques Fattaccioli (UPMC/ENS), Mathieu Morel (UPMC/ENS), Yong Chen (ENS), Bruno Le Pioufle (ENS Paris Saclay)

Le but de cette unité d’enseignement est de former les étudiants aux techniques de fabrication de circuits microfluidiques (PDMS), en tenant compte à la fois de l’origine de ses techniques (microfabrication silicium, MEMS), mais aussi des développements actuels (micro-usinage, impression 3D).

D’un volume équivalent aux cours présentiels sont associés des séances de travaux pratiques qui permettront de mettre en œuvre les technologies détaillées lors des cours. Ces séances en petit groupe permettront aux étudiants d’acquérir une première expérience en microfabrication, qu’ils pourront aisément mettre à profit au cours de leur stage ou de leurs parcours professionnels futurs.

Technologies de microfabrication classiques (MEMS) et procédés associés (Photolithographie, dépôts de couches minces, gravure)
Techniques de caractérisation (profilométrie optique et mécaniques, MEB, ellipsométrie, etc.)
Technologies PDMS et NOA : fabrication de puces et d’éléments actionnables (valves, etc.)
Techniques  de micro-usinage et de fabrication à l’aide de thermoplastiques
Fabrication par impression 3D

Biologie cellulaire, molécule unique et migration cellulaire (3 ECTS)

Intervenants : Ludovic Tricoire (UPMC), Pascal Silberzan (Institut Curie)

1. Introduction à la biologie cellulaire

Introduction aux concepts fondateurs de la biologie moléculaire.
Techniques classiques et les dernières avancées dans l’analyse, le séquençage des génomes
Techniques d’éditions, des approches de thérapie génique.
Mise en oeuvre d’outil microfluidique pour l’étude du transcriptome.

2. Molécule unique

Biophysique de molécules uniques, avec notamment des applications dans des systèmes microfabriqués

3. Mouvements et migrations cellulaires

Nage d’une bacterie E-coli, chimiotaxie, effets collectifs sur ce système
Effets collectifs de manière plus générale sur les cellules de mammiferes

 


UE d’orientation thématique  (12 ECTS)

Ecoulements à surface libre

Intervenant : David Quéré (ESPCI)

Exemples d’écoulements à surface libre : amincissement gravitaire, coulures, impacts, pincements ; conditions aux limites spécifiques ; tension de surface. Mouillage et imprégnation ; Physique du dépôt de liquide : le problème de Landau-Levich ; Le coin liquide ; Instabilités interfaciales (Plateau, Rayleigh, Taylor). Surfactants et films de savon. Coalescence ; systèmes fluidiques automoteurs. Ondes et rides ; sillages.

Rhéologie de fluides complexes

Intervenants : Anke Lindner et Patrice Flaud (U. Paris Diderot)

Ce cours débute avec la rhéometrie de fluides simples. Il présente ensuite les propriétés de fluides non-Newtoniens les plus courantes (rhéofluidification, différences de contraintes normales, fluides à seuil…) et discute des exemples choisis, comme les solutions de polymères, les suspensions ou les gels.
Les techniques de rhéometrie pour les fluides complexes sont ensuite introduites. Des techniques récentes, comme des rhéomètres sur puce ou la microrhéologie complètent cette partie. Le cours est complété par des applications pratiques au cours des TPs.

Interfaces et dispersion

Intervenants : Eric Buhler et Christophe Poulard (U. Paris Diderot)

Interactions moléculaires : ioniques, dipolaires, de van der Waals, solutions de petites molécules, de macromolécules, de molécules amphiphiles, tension superficielle et interfaciale : définition, méthodes de mesures, mouillage, dispersions et émulsions : métastabilité.

Génie Chimique 

Intervenants : P. Pitiot (Ingénieur Solvay), S. Ognier (UPMC), M. Tatoulian (Chimie Paristech) 

L’objectif de cette UE est de former des étudiants dans le domaine du génie de la réaction chimique et des milli/microréacteurs appliqués aux problèmes de la chimie moderne pour l’intensification des procédés. A la fin de la formation, les étudiants doivent pouvoir :
– Comprendre le fonctionnement et la spécificité des réacteurs industriels utilisés en synthèse chimique (Batch, piston…)
– Comprendre le contexte de l’intensification
– Décrire les principes fondamentaux des transferts de matière, de chaleur et de quantité de mouvement dans des canaux de faibles dimensions
– Analyser des cas industriels référencés et des développements en génie chimique
– Proposer des solutions d’intensification pertinentes dans le cas d’un procédé donné

Dans un premier temps, il s’agira de présenter les spécificités des grands réacteurs industriels (réacteur batch, piston…) et les limites et contraintes liées à leur utilisation en terme de rendement/sélectivité/sécurité. Puis, nous présenterons le contexte de l’intensification des procédés qui s’inscrit dans une démarche visant à améliorer la productivité et la sélectivité des réactions chimiques grâce notamment à l’utilisation de réacteurs milli/micro-structurés permettant de travailler dans des conditions de pression et de température non envisageables dans des réacteurs batch conventionnels. L ‘utilisation d’un outil de simulation commercial CFD (COMSOL) en travaux pratiques permettra de dimensionner un milli-réacteur destiné à la synthèse chimique (dimensions, temps de séjour, pression, température) et de comparer ses performances par rapport à un système batch conventionnel.

Les participant à l’UE réalisent un projet basé sur le logiciel en source ouverte libre Gerris Flow Solver permettant de réaliser les écoulements étudiés dans la partie I sous forme numérique, avec notamment, l’allée de Bénard Von Karman, l’écoulement dans un milieu poreux et l’ébullition en film.

Laboratoires sur puce (6 ECTS)

Nano-fluidique

Intervenant : Lydéric Bocquet (ENS)

Ce cours vise à décrire les multiples phénomènes qui entrent en jeu de façon concertée dans la dynamique des systèmes fluides aux échelles nanométriques : mouvement Brownien, phénomènes de surface, forces à longue portée (électrostatiques, Casimir, van der Waals, déplétion, …), transport osmotique, électro-hyrodynamique, ‘ratchets’ (moteurs moléculaires), hydrodynamique fluctuante, dynamique interfaciale, etc.
Nous discuterons en particulier les limites de validité des modèles de milieux continus, ainsi que les descriptions des phénomènes moléculaires spécifiques aux échelles nanométriques.

Traitements de surfaces par voie sèche et voie liquide 

Intervenants : Michael Tatoulian (Chimie Paristech) et Jacques Fattaccioli (UPMC)

Les surfaces jouant un rôle considérable dans les systèmes miniaturisés, ce cours vise à donner des notions sur les traitements de celles-ci. Deux voies sont abordées : traitement de surface par voie sèche et traitement de surface par voie humide.
Traitement de surface par voie sèche : Procédés plasmas, dépôt couches minces, Adhésion, Traitement de surface, PECVD Fonctionnalisation de surface par voie liquide : modification de surface, liaison covalente, physisorption, organosilanization, sol gel coating, layer by Layer deposition (LBL), polyéléctrolytes, polymères, nanoparticules.

Bio-microtechnologies : du patterning aux neurosciences

Intervenants : Catherine VillardJean-Michel Peyrin

1. Principales technologies pour la bio (patterning, microflu et leurs variations):

Application aux grandes fonctions cellulaires (Life and Death, Division, Differentiation, Polarization & Migration)
Application à la manipulation de cellules (displacement, trapping, transfection …par les technologies microfluidiques ou magnétiques)

2. Organes et organes sur puce

3. Microtechnologies pour les neurosciences

Introduction au système nerveux et ses cellules
Réponses des neurones à des gradients et à la topographie. Mécanique des neurones.
Microfluidique pour les neurosciences

4. Détection and stimulation de l’activité neuronale, in vitro et in vivo

5. Maladies neurodégeneratives

Chimie analytique et Séparation

Intervenants : Stéphanie Descroix (Curie), Frédéric Kanoufi (U. Paris Diderot)

L’objectif de cet enseignement est d’aborder les différentes étapes de la chaîne analytique intégrées au sein des microsystèmes. Pour ce faire, nous évoquerons tout d’abord les principes de base des sciences analytiques et bioanalytiques dans le domaine des sciences séparatives, l’extraction liquide-liquide, des bioessais et de l’électrochimie.
Par la suite, nous nous intéresserons à la mise en oeuvre de ces concepts au sein de microsystème analytiques et l’apport de la microfluidique par rapport aux échelles conventionnelles. Enfin, nous discuterons comment la microfluidique permet de concevoir et développer de nouveaux outils analytiques et bioanalytiques performants.

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