Formation - Master 2 Recherche - Parcours Microfluidique

PARCOURS « MICROFLUIDIQUE » 
Ce parcours s’inscrit dans la spécialité « Systèmes complexes » 
Cohabilitations : UPMC, Univ. Paris Diderot, Univ. Orsay, ESPCI et ENS Cachan

Pré-requis  - Master 1 en Physique, Chimie ou Biologie
Nécessité  - 60 ECTS - 30 ECTS par semestre
 

 
COURS GENERAUX
 
COURS PLUS SPECIALISES
 
- Biologie cellulaire (Introduction)
- Interfaces – dynamique
- Physico-chimie
 

​- Microfluidique avancée
- Microfabrication (cours et TP)
- Nanofluidique
- Biotechnologie
- Génie chimique
- Traitement de surface
- Creation de start-up (avec ITI)
 
STAGE de 5 mois 
 
INTERNATIONALISATION
- Laboratoire
- Industrie
- Start-up
- France ou étranger
 

- Lausanne (EPFL)
- Copenhague (DTU)
 
PROJETS Bibliographique / Expérimental
 
CONFERENCES / Visite sur site
     
 

Semestre 1  -  Cours/TD/TP


Microfluidique (3 ECTS) - Patrick Tabeling et Marie-Caroline Jullien

Le cours reprend les grandes problématiques de la microfluidique, en les adaptant au niveau des connaissances des étudiants déjà acquises dans le domaine de la microfluidique : la physique de la miniaturisation (principes, exemples pris dans la nature, les MEMS, le génie chimique, la physique colloïdale), l’hydrodynamique des petits systèmes (la microhydrodynamique, les films, les microjets…), la microfluidique à gouttes (formation, déplacement, brisure et fusion de gouttes), l’électrohydrodynamique linéaire (électroosmose, électrophorèse – migration de particules chargées) et non linéaire (diélectrophorèse – migration de particules neutres, electroosome/électrophorèse par charge induite), le mélange (mélange diffusif, chaotique, mélangeurs microfluidiques), les microtransferts thermiques, la microrhéologie, les microparticules actives et passives, la microfluidique à Reynolds modéré, les transferts aux parois, les écoulements dans les milieux naturels.
 

Techniques de microfabrication (3 ECTS) - Jacques Fattaccioli

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.

1. Techniques de fabrication pour la microfluidique (15h) : 5 x 3h
Coordinateur : J. Fattaccioli (ENS, UPMC)
Intervenants : Y. Chen (ENS), B. Le Pioufle (ENS Cachan), M. Serra (Institut Curie), M. Morel (ENS, UPMC)

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
 
2. Mise en pratique de la Microfluidique (15h) : 5x3h (Travaux Pratiques)
Intervenants: J. Fattaccioli et M. Morel (ENS, UPMC)
Lieu : salle de TP de l’IPGG
 
Séance 1 : Fabrication complète d'un circuit microfluidique en salle blanche : réalisation d'un moule en SU8, utilisation du PDMS, assemblage par activation plasma.
Séance 2 : Etude du profil d'écoulement et caractérisation de divers circuits de mélange ou de fabrication de gradients monophasiques
Séance 3 : Etude d’écoulements diphasiques à partir de circuits de type T-junction ou flow-focusing. Tracé de diagramme de phase.
Séance 4 : Fabrication de puces microfluidiques en matériau thermoplastique
Séance 5 : Mise en œuvre de la dielectrophorèse et bio-MEMS (ENS Cachan, B. Le Pioufle)


UE d'orientation thématique Mécanique des Fluides (12 ECTS)

a - Ecoulements à surface libre - David Quéré
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.

b - Rhéologie de fluides complexes - Anke Lindner et Patrice Flaud
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.

c - Interfaces et dispersion - Eric Buhler et Christophe Poulard
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.

d - Génie Chimique -  P. Pitiot (industriel - Ingénieur Solvay), S. Ognier (UPMC), M. Tatoulian (ENSCP) 

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 - Lydéric Bocqueta - Nano-fluidique - Lydéric Bocquet
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.
 

b - Traitement de surface - Michael Tatoulian et Jacques Fattaccioli
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.

c - Biotechnologies - Catherine Villard
Ce cours donne des notions générales sur les laboratoires sur puce, et décrit les exemples les plus significatifs ayant donné lieu ou donnant lieu à des applications biomédicales remarquables (tri de cellule, analyses d’expression, PCR sur puce, ou en microgouttes, séquençage d’ADN, etc…)

d - Chimie analytique et Séparation - Stéphanie Descroix et Frédéric Kanoufi
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.
 

Introduction à la biologie (3 ECTS) - Luce Dauphinot, Maxime Dahan et Pascal Silberzan
1. Les bases de la biologie moléculaire : Réplication, Transcription et Traduction. Structure de l'ADN et de l'ARN, leurs rôles dans la cellule. Les différentes étapes des processus et leur régulation. Les méthodes d'analyse des acides nucléiques et des protéines dans la cellule : Des techniques princeps aux outils nouvelle génération. 
2. Focus sur la génomique fonctionnelle : Les microarrays et le séquençage haut débit (NGS).  Exemples d'application en cancérologie et neurobiologie
3. Etude de cellules individuelles : La microfluidique au service de la biologie
 

Les projets technologiques des étudiants du master :

  • Création de robots microfluidiques : Voir les vidéos
  • Création d'une mayonnaise microfluidique : Edouard Duliege, Laura Magro, Maxime Lanoy, Raphael Tomasi

 

Certains cours peuvent être échangés avec des cours d'autres Parcours.
 

Tutorat bibliographique (3 ECTS)

Chaque étudiant doit fournir un rapport bibliographique écrit, avec soutenance orale, sur un sujet qui aura été préalablement déterminé. Chaque étudiant est en relation avec un tuteur qui encadre ce travail bibliographique (aide à la recherche de publications, tri des publications par pertinence, aide à la synthèse...).

 

Cycle de conférences

Une quinzaine de conférences permet aux étudiants d'être mis en contact avec le monde industriel et académique.

Conférences :

  • Industrielles : L'Oréal, Total Petrochemicals, CEA et IFP
  • Académiques : Nano et microsystèmes pour la vectorisation de principes actifs, la microfluidique en R&D physico-chimie, Bionique et Acousto fluidique, Hervé This et IEMN
 
Visites industrielles et universitaires sur site :
L'Oréal, LoF, Solvay, CEA et IEMN
 

 

 

Semestre 2


Stage de 5 mois en laboratoire ou en entreprise
Possibilité de faire un stage à l’étranger (30 ECTS)
Exemples : MIT Boston, TOTAL Pau, labos de l’IPGG, Ladhyx à l’X de Saclay, IUSTI à Marseille, L’OREAL à Paris, LOF à Bordeaux, Fluigent...
 
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