Les interactions de colloïdes en solution sont au cœur de nombreux procédés de génération de séparation de solides divisés. La connaissance de la nature ainsi que l’intensité de ces interactions engendre une meilleure maîtrise du procédé. Ceci est particulièrement vrai pour les processus de cristallisation, encore perçu comme un art, malgré les efforts effectués durant ces vingt dernières années concernant leur rationalisation. L’essai-erreur est encore à l’heure actuelle la méthode de choix pour la cristallisation de protéines ou d’actifs pharmaceutiques. La raison principale est essentiellement liée à la consommation excessive en produit ainsi qu’au temps nécessaire pour acquérir des données thermodynamiques fiables. L’objectif des travaux de cette thèse est de mettre en place des outils microfluidiques génériques permettant de déterminer les diagrammes de phases et l’équation d’état d’une molécule modèle au travers de la mesure des interactions moléculaires en solution.
Un procédé simple et peu onéreux de fabrication de moule a été développé à partir de films sec. Les puces microfluidiques ont ensuite été réalisées à l’aide de polymères photoréticulables aux UV. Les puces développées présentent l’avantage d’offrir une très bonne résistance aux solvants organiques, aux acides et bases couramment utilisée mais résistent également à des pressions allant jusqu’à la centaine de bars. En outre, la modification par greffage chimique de la surface des microcanaux permet de générer des émulsions eau dans huile ou huile dans eau.
L’étude des solutions de protéines à l’échelle nanométrique a été réalisée en couplant ces dispositifs expérimentaux à la diffusion de rayonnement X aux petits angles. Une étude paramétrique a permis de déterminer les conditions opératoires optimales en vue de l’obtention d’un signal de bonne qualité. A l’issue de cette étude, les facteurs de formes de différentes protéines ont été mesurés. Il a été mis en évidence que d’une part ni les solutions de protéines ni la phase continue n’étaient endommagées par les radiations et que le tensioactif retenu pour l’étude n’interagissait pas avec les protéines. En outre, l’étude des interactions faibles proteines-proteines a été réalisée en écrantant les charges des protéines en solution par l’ajout en continue une solution de saline. Le second coefficient du viriel a été déterminé à partir de l’extrapolation à angle nul du facteur de structure. Les résultats obtenus sont en très bon accord avec les résultats publiés dans la littérature mais en utilisant seulement quelques milligrammes de protéines.
L’équation d’état du lysozyme, reliant la pression osmotique à la fraction volumique, caractéristique des interactions en solution a été également déterminé à l’aide d’un dispositif microfluidique basé sur le transfert de matière entre d’une phase dispersée vers une phase continue. Des gouttes de solution aqueuse de protéines sont générées dans un solvant organique partiellement miscible avec l’eau dans lequel les protéines sont insolubles. Etant donné la différence de potentiel chimique de l’eau entre la phase dispersée et la phase dispersée, l’eau diffuse au travers de l’interface jusqu’à l’équilibre thermodynamique. Connaissant le potentiel chimique de la phase continue (considérée comme un milieu infini), l’activité de l’eau dans la phase dispersée à l’équilibre peut être obtenue. Dans une certaine gamme de fraction volumique, l’équation d’état obtenu est en bon accord avec les données de la littérature. En revanche, lorsque le transfert de matière est trop important, lorsque la différence d’activité est trop importante, la réorganisation des protéines à l’intérieur de la goutte est trop lente et la formation d’une peau est observée. Afin de relier la dynamique du transfert aux propriétés thermodynamique du système une première approche de modélisation est proposée. Cette approche a pour but de déterminer l’équation d’état de la protéine avec une seule goutte. |
Abstract
In last two decades, the microfluidic devices have been seen as a versatile tool to study fluid flows at microscale. A potential strength of microfluidic systems is that they can be performed with laboratory conditions by very small amount of reagents due to reduce down the volume. By this way, not only the volume of reagents can be nano- to femtoliters, but also the speed rate of reactions is decreased down to seconds or less. the work of this thesis will give other proofs for the versatility of microfluidic chips. The microfluidic chips were fabricated using soft lithography technique which simple and fast protocol was applied in order to build a chip of UV-sensitive materials. The thesis worked also on testing the resistance of microfluidic chip against chemical and pressure damages and shown very potential results.
The coupling of SAXS and microfluidic chips to study the interaction of protein molecule in the droplets. In results, the system was validated by investigating several proteins (e.g. Rasburicase, Lysozyme and BSA) interaction. Firstly, some influenced factors are determined and optimized to obtain higher quality of scattering intensity of SAXS. Secondly, changing of interaction of protein molecule in the solution from repulsive to attractive behavior when adding more amount of salt (i.e. crystallization agent) was observed as well.
The microfluidic system was used to observer and analyze the dissolution of water or protein(lysozyme) droplet in decanol as a drying solution. Using model of Epstein-Plesset equation, the dissolution of pure water in decanol was studied and shown a strongly agreement to previous researches in the literature. For the protein case, the hydration of lysozyme was shown as a function of water activity. It is shown that for all cases, with higher water activity , the final phase of protein contains more amount of water than lower Almost of values of hydration were compared with values from the literature and shown the strongly fitting. This means that almost the concentration of water within droplet reached the equilibrium at the end of experiment without any kinetically trapped (skin formation, for example) except pure decanol because of very fast dissolution rate.
|