Approche microfluidique polyvalente de la cristallisation

• Auteur / Autrice : Shuheng Zhang
• Direction : Stéphane Veesler
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matière condensée et Nanosciences
• Date : Soutenance le 16/10/2015
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Physique et sciences de la matière (Marseille)
• Jury : Président / Présidente : Denis Mangin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Micheal Lynch, Fabienne Espitalier, Nadine Candoni
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Claude Sauter, Tom Leyssens

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microfluidique

Hydrodynamique

Cristallisation

Nucléation

Mots clés libres

Nucléation

Cristallisation

Hydrodynamique

Microfluidique

Criblage

Nucleation

Crystallization

Hydrodynamics

Microfluidic

Screening

Résumé

La cristallisation est influencée par plusieurs paramètres tels que la sursaturation, la température, le milieu et l’hydrodynamique. Pour cela le criblage rapide des conditions de cristallisation est souvent exigé lors de l’étude de la cristallisation d’une molécule. Cependant lorsqu’une faible quantité de matière est disponible, un outil expérimental adapté est indispensable.Dans notre cas, le système microfluidique dédié à la cristallisation est basé sur la génération des gouttes de volume nanométrique dans lesquels la cristallisation peut avoir lieu de façon indépendante. Des gouttes monodispersées en taille et en conditions expérimentales nous permettent de réaliser des études statistiques pour répondre à la stochasticité du phénomène de nucléation, ceci tout en consommant peu de matière.Le but de cette thèse est de créer un montage microfluidique universel, qui soit compatible à tout solvant et toute molécule. Pour cela, nous utilisons des jonctions et des capillaires microfluidiques simples résistants à de nombreux solvants. Nous cherchons d'abord à contrôler les écoulements microfluidiques et à réduire les volumes mis en jeu. Nous avons étudié les régimes de génération des gouttes et la loi d'échelle de la taille des gouttes. Dans le cadre de l’étude de la cristallisation, nous montrons la faisabilité de notre dispositif pour l’étude de la cristallisation en variant la viscosité avec l’exemple de l’urate oxydase recombinante ou rasburicase que nous avons cristallisée dans une solution aqueuse de PEG. Pour finir, nous avons intégré un module de caractérisation en ligne dans notre système microfluidique afin d'analyser la composition chimique de chaque goutte.

Crystallization is influenced by several parameters such as supersaturation, temperature, environment, and hydrodynamics. Thus, a rapid screening of crystallization conditions is often required during the study of the crystallization of a molecule. But when a small amount of material is available, a suitable experimental tool is essential. In our case, the microfluidic system dedicated to crystallization is based on the generation of nanoliter droplets in which crystallization can occur independently. Forming hundreds of droplets with monodisperse sizes and experimental conditions, we can make a large number of experiments per condition for statistical studies to meet the stochasticity of the phenomenon of nucleation while consuming little material. Our goal is to create a universal microfluidic assembly which is compatible with all solvents and molecules. Thus, we are interested in simple microfluidic junctions and tubings which is resistant to many solvents. From such systems, we have first characterized the hydrodynamic properties of the set-up: we sought to control microfluidic flow and reduce the volumes put-in. We studied the droplet generation regimes and the scaling law of drop size and frequency. For crystallization study of biomolecule, we have validated our microfluidic set-up for crystallization studies in a viscous media, on the recombinant urate oxidase or the rasburicase in an aqueous solution of PEG. Finally, we integrated a module for on-line characterization of each droplet’s chemical composition.