Modélisation de l'interaction champ électrique-particules diélectriques entre effets électromécaniques et aspects électrocinétiques : application aux cellules biologiques

• Auteur / Autrice : Abdellah Ogbi
• Direction : Laurent Nicolas, Ronan Perrussel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Modélisation
• Date : Soutenance le 09/02/2016
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire AMPERE (Ecully, Rhône)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École Centrale de Lyon (1857-....)
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Bouillault
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Nicolas, Ronan Perrussel, Damien Voyer
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Chadebec, Clair Poignard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cellules

Électromécanique

Mots clés libres

Interaction champ électrique-particule diélectrique

Électro-manipulation des cellules biologiques

Interaction between electrical fields and dielectric particles

Caracterisation of biological cells

Résumé

Dans ce travail, nous nous intéressons à l’interaction champ électrique-particule diélectrique dans les phénomènes diélectrophorétiques, aussi bien d’un point de vue théorique que numérique. L’application à long terme concerne l’électro- manipulation des cellules biologiques. La compréhension de ces phénomènes nécessite une modélisation complète des mécanismes de polarisation qui régissent l’interaction champ-particule, et met en oeuvre des modèles électromécanique et électroci- nétique. Après avoir introduit les différents phénomènes et notions nécessaires, nous abordons la modélisation de la polarisation à l’aide de la théorie du potentiel et proposons une approche pour déterminer numériquement les coefficients de polarisation identifiés. Nous montrons que, si le développement multipolaire peut se réduire au premier ordre pour le cas d’une particule sphérique plongée dans un champ uniforme, les ordres supérieurs sont nécessaires pour les particules non sphériques. Nous montrons également comment un processus d’homogénéisation permet d’étudier les configurations de particules multicouches avec cette approche. Dans le cadre de l’étude électromécanique des phénomènes diélectrophorétiques, nous mettons ensuite en œuvre cette approche multipolaire. Deux applications traitées numériquement sont présentées. Nous y montrons la pertinence de cette approche pour calculer la force et le couple exercés sur une particule dans des situations où le champ appliqué présente de fortes non-uniformités, l’approche dipolaire classique se révélant beaucoup moins performante dans ce cas. La particule et son milieu de suspension étant en réalité deux milieux en contact mais non-indépendants, des phénomènes électrocinétiques se produisent à l’interface. Ces effets interfaciaux sont abordés en vue de les prendre en compte dans le phénomène d’électrorotation d’une cellule biologique. Nous modélisons le problème complet d’une particule sphérique chargée plongée dans un milieu de suspension et soumise à un champ tournant en prenant en compte les effets électroosmotiques. La résolution par éléments finis de ce problème couplé montre la pertinence de l’approche développée, notamment pour les basses fréquences.

In this work, we investigate about the interaction between electrical fields and dielectric particles in the dielectrophoretic phenomena, in theorical and numerical ways. The long-term application are related to electromanipulation and caracterisation of biological cells. Understanding these phenomena requires a complete modeling of polarization mechanisms governing the field-particle interaction and implements electromechanical and electrokinetic models. After introducing the necessary concepts and phenomena, we address polarization modeling using potential theory and suggest an approach for a numerical determination of polarization coefficients. We show that if the multipolar expansion can be reduced to the first order for the case of a spherical particle immersed in a uniform field, the higher orders are needed for nonspherical particles. We show also how a homogenization process allows the study of multilayered particles configurations using this approach. As part of the electromechanical study of dielectrophoretic phenomena, we implement the multipolar approach for two applications numerically treated. We show the relevance of this approach to calculate the force and torque exerted on a particle in situations where the applied field has strong non-uniformities, where the classical dipole approach turn out to be much less efficient. The particle and the suspending medium are in reality two media in contact but not independent as some electrokinetic phenomena occur at the interface. These interfacial effects are addressed in order to be taken into account in the electrorotation phenomenon of a biological cell. The model dealing with the whole problem of a charged spherical particle immersed in a suspension medium and subjected to a rotating field and taking into account the electroosmotic effects is treated. The resolution of the corresponding coupled problem using the finite element method shows the relevance of this approach.