Etude expérimentale de capsules dans un écoulement confiné

Experimental study of capsules into confined flows

• Auteur / Autrice : Jonathan Gubspun
• Direction : Marc Georgelin, Marc Leonetti
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et Physique des Fluides
• Date : Soutenance le 19/11/2015
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'Ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille)
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Risso
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Jaeger
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thomas Podgorski, Aurélien Bancaud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Membranes (technologie)

Propriétés mécaniques

Membranes (biologie)

Microfluidique

Contraintes (mécanique)

Déformations (mécanique)

Interaction fluide-structure

Mots clés libres

Microcapsules

Experimental

HSA

Écoulement confiné

Module de cisaillement surfacique

Plies

Microcapsules

Microfluidics

HSA

Confined flows

Surface shear modulus

Wrinkles

Interfacial cross-linking

Mechanical properties

Résumé

L’objectif de cette thèse est d’étudier expérimentalement les deformations de microcapsules dans un écoulement confiné. Les microcapsules sont composées d’albumine du sérum humain avec des concentrations de 5 à 20 [g/100mL]. Leur taille varie de 50 à 1000 [μm]. Les capsules sont injectées dans des écoulements de Poiseuille produits dans des canaux microfluidiques présentant deux sections différentes : circulaire ou carrée.La mesure des caractéristiques géométriques de microcapsules déformées couplée à des simulations numériques mène à la détermination du module de cisaillement surfacique. Cette caractéristique mécanique augmente fortement tant avec la taille qu’avec la concentration en protéine de la capsule, et plus précisément avec le produit de ces deux paramètres.Le fluide est ensemencé avec des microparticules pour mesurer l’écoulement induit par une capsule dans un capillaire cylindrique par la méthode de la vélocimétrie par suivi de particules. Les zones de recirculation et de perturbation sont alors déduites et comparées avec la simulation numérique d’un objet rigide dans un capillaire et présentant le profil donné par les expériences. Finalement un système original de visualisation optique est consacré à l’observation simultanée de la vue de côté et de la vue de face des capsules pour obtenir sa forme entière. Ceux-ci révèlent l’existence des plis tout autour de la membrane des capsules. Le seuil de formation et l’évolution de ces plis sont étudiés en fonction de la vitesse, de la taille et du confinement, dans des canaux de section circulaire ou carrée.

The objective of this thesis is to study experimentally microcapsule deformations in confined flows. The microcapsules are made of cross-linked proteins, the human serum albumin (HSA) with concentrations from 5 to 20 [g/100mL]. Their size vary from 50 to 1000 [μm]. Capsules are injected in Poiseuille flows generated within microfluidics channels with two different cross sections geometries : circular or square.The measurement of geometrical characteristics of deformed microcapsules coupled with numerical simulations leads to the determination of the surface shear modulus. This mechanical characteristic increases strongly with both the size and the protein concentration of the capsule, and more precisely with the product of these two parameters.The flow is seeded with microparticles to measure the induced flow of a capsule in a cylindrical capillary by particle tracking velocimetry. The recirculation and perturbation zones are then deduced and compared with numerical simulation of a rigid body flowing in a capillary. Finally an original system of optical visualization is dedicated to the simultaneous observation of the side and the front view of the capsules to get its whole shape. These reveal radial wrinkles all around capsules membrane. The formation threshold and the evolution of these wrinkles are studied as function of the capsule velocity and size and the confinement within capillaries with circular or square cross–section.