Laboratoire de Physique Théorique
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Contrôle de l'hématopoïèse en condition normale et suite à un stress immunitaire chez la drosophile
Get PDFChez les mammifères adultes, les cellules souches et progéniteurs hématopoïétiques (HSPCs) présents dans la moelle osseuse assurent la production continue des cellules sanguines. L'auto-renouvèlement, la prolifération et la différenciation des HSPCs sont contrôlés par un microenvironnement appelé "niche". L'organe hématopoïétique de la drosophile, appelé glande lymphatique (GL), est un modèle de choix pour étudier le contrôle de l'hématopoïèse. La GL est alignée le long du tube cardiaque, qui est le système vasculaire, et agit comme une niche pour contrôler l'hématopoïèse dans la GL. Les cellules cardiaques en se contractant génèrent un flux sanguin. L'arrêt des battements cardiaques inhibe la différenciation des cellules sanguines, indiquant que les battements cardiaques contrôlent l'hématopoïèse dans la GL. J'ai montré que le rythme cardiaque, via le flux sanguin, induit dans les cellules cardiaques un stress mécanique qui est détecté par le canal mécano-sensible Piezo. L'activation de Piezo pourrait conduire à l'activation du facteur de transcription Yap. Dans les cellules cardiaques, Yap contrôlerait l'expression de gènes cibles, y compris des ligands, tels que le ligand de la voie de signalisation "Fibroblast Growth Factor" (FGF) qui est nécessaire dans les progéniteurs hématopoïétiques pour réguler l'homéostasie de la GL. En conclusion, mes résultats démontrent que le battement cardiaque contrôle l'hématopoïèse de la GL et que le canal ionique mécano-sensible Piezo ainsi que le facteur de transcription Yap sont impliqués. Il est à noter que notre compréhension du rôle des canaux ioniques mécano-sensibles dans la régulation mécanique de l'activité des cellules souches n'en est qu'à ses débuts. Cette étude devrait permettre d'identifier les mécanismes moléculaires impliqués. La conservation probable de ces régulations au cours de l'évolution ouvre d'importantes perspectives quant à la compréhension de la fonction de la niche vasculaire chez les mammifères.In adult mammals, Hematopoietic Stem and Progenitor Cells (HSPCs) in the bone marrow ensure continuous blood cell production. Self-renewal, proliferation and differentiation of HSPCs are controlled by a specialized microenvironment called the "niche". However, the cellular and molecular mechanisms involved remain poorly understood. The Drosophila (fruit fly) hematopoietic organ called the lymph gland has become an important model to study how hematopoiesis is controlled. The lymph gland is aligned along the cardiac tube, which constitutes the vascular system and acts as a niche to control lymph gland hematopoiesis. Cardiac cells contract rhythmically and generate a blood flow. Blocking heartbeat prevents lymph gland blood cell differentiation, indicating that it controls lymph gland hematopoiesis. I established that heartbeat, via the blood flow, induces a mechanical stress in cardiac cells that is detected by the mechanosensitive channel Piezo. Piezo activation leads to the activation of the transcription factor Yap. In cardiac cells, Yap controls the expression of various target genes including ligands, such as a ligand of Fibroblast Growth Factor (FGF) called Breathless, which is required to control lymph gland homeostasis. In conclusion, my results demonstrate that heartbeat controls lymph gland hematopoiesis and that both the mechanosensitive ion channel Piezo and Yap are required in this process. It must be emphasized that our understanding of the role of mechanosensitive ion channels in the mechanical regulation of stem cell activity is only at its beginning. This study will allow us to decipher the molecular mechanisms that are involved. The probable conservation of these regulations in evolution opens important perspectives for the understanding of vascular niche function in Mammals
Effets des effecteurs de type III de Xanthomonas campestris pv campestris dans la physiologie d'Arabidopsis
Get PDFXanthomonas campestris pv. campestris (Xcc) est responsable de la nervation noire sur les Brassicaceae, notamment les choux, les radis, la moutarde et l'espèce modèle Arabidopsis thaliana. Au cours de l'infection, Xcc transloque des protéines effectrices de type 3 (T3E) dans les cellules végétales via le système de secrétion de type 3 (T3SS), pour moduler la physiologie de l'hôte et favoriser la maladie. Le répertoire des T3E présents dans une souche donnée influence largement sa niche, sa gamme d'hôtes et son mode de vie. Dans la souche Xcc 8004, vingt-huit gènes ont été prédits pour coder des protéines sécrétées par le T3SS (T3SP). Dans un premier chapitre à l'échelle de l'effectome, nous montrons que la plupart des fonctions des T3SP au sein des cellules végétales restent inconnues. Dans ce projet, différentes stratégies ont été abordées pour caractériser les fonctions biologiques des T3SPs de la souche Xcc 8004 dans les cellules végétales. Bien que la délétion des gènes individuels codant des T3SP n'ait pas eu d'effet significatif sur la virulence de Xcc chez Arabidopsis, l'expression hétérologue de T3SP individuelles chez Arabidopsis a montré des effets marqués sur la physiologie de la plante pour de nombreuses T3SP. De manière surprenante, plusieures T3SP sont capables de déclencher des réponses immunitaires et certaines ont présenté des effets ambivalentes en inhibant simultanément la phosphorylation déclenchée par flg22 de MPK3/6. Dans une deuxième partie, nous avons réalisé une analyse comparative des fonctions in planta des T3SPs XopAG et RipO1 qui sont codées par des gènes orthologues dans Xcc souche 8004 et Ralstonia solanacearum souche GMI1000, respectivement. Dans nos expériences, XopAG a montré une contribution significative à la pathogénicité de Xcc qui ne semble pas liée à la suppression de certaines réponses immunitaires basales. XopAG et RipO1 présentent des similitudes fonctionnelles. En effet, les deux T3SP affectent l'expression de gènes connus de réponse à l'auxine, à l'acide jasmonique et à l'éthylène, ce qui est cohérent avec l'inhibition de la croissance des plantes induite par ces deux effecteurs chez Arabidopsis. Une recherche in silico de cibles végétales potentielles de XopAG suivie d'essais du pouvoir pathoène sur des mutants d'Arabidopsisa a permis d'identifier BRG3 (BOI-RELATED GENE 3) comme cible putative de XopAG. Dans une approche parallèle, nous avons effectué un criblage de suppresseurs pour identifier les mutations qui atténuent le phénotype d'arrêt de croissance induit par XopAG chez Arabidopsis, résultant en l'identification de huit lignées suppresseurs. Ces lignées fournissent une occasion précieuse d'identifier les voies affectées par XopAG chez Arabidopsis. De manière générale, ce projet contribue à la compréhension des activités biologiques exercées par les T3SP de la souche Xcc 8004 dans les cellules végétales.Xanthomonas campestris pv. campestris (Xcc) causes black rot disease on Brassicaceae species including cabbages, radish, mustard and the model species Arabidopsis thaliana. During pathogenesis, Xcc secrete Type 3 Effector (T3E) proteins via the Type 3 Secretion System (T3SS) into plant cells to modulate host physiology and promote pathogenicity. The repertoire of T3Es present in a given strain largely influences its niche, host range and lifestyle. In the Xcc strain 8004, twenty-eight genes have been predicted to encode proteins secreted by the T3SS. The functions of most Type 3 Secreted Proteins (T3SPs) within plant cells remain elusive. In this project, different strategies were approached to characterize the biological functions of the T3SPs of Xcc strain 8004 in plant cells. In the first chapter, we showed that the loss of individual T3SPs did not cause a significant effect on Xcc virulence on Arabidopsis. Yet, the heterologous expression of individual T3SPs in Arabidopsis plants revealed many T3SPs with marked effects on plant growth and transcriptome. Several T3SPs also triggered plant immune responses and some exhibited ambivalent activities by simultaneously inhibiting flg22-triggered phosphorylation of MPK3/6. In the second chapter, we conducted a comparative analysis of the in planta functions of the T3E XopAG and RipO1 which are encoded by orthologous genes in Xcc strain 8004 and Ralstonia solanacearum strain GMI1000 respectively. In our experiments, XopAG showed a significant contribution to Xcc pathogenicity that was not related to the suppression of some basal immune responses. XopAG and RipO1 exhibited functional similarities. Indeed, both T3E affected the expression of genes responsive to auxin, jasmonic acid and ethylene suggesting that both effectors inhibit plant growth. Finally, we made some efforts to identify the plant target of XopAG. An in silico search followed by pathogenicity assays posits BRG3 (BOI-RELATED GENE 3) as a candidate target of XopAG. In a parallel approach, we performed a suppressor screen to identify suppressor mutations that alleviate the growth defect induced by XopAG in Arabidopsis plants, resulting in eight suppressor lines. These provide a valuable opportunity to identify the pathways targetted by XopAG in Arabidopsis. Altogether, this project contributes to the better comprehension of the biological activities exerted by the Xcc strain 8004 T3SPs in planta
Conception, fabrication et étude de métasurfaces optiques
Get PDFLes métasurfaces optiques sont des composants optiques composées d'un ensemble de nanostructures qui interagissent fortement avec la lumière, modifiant ainsi considérablement ses propriétés sur une épaisseur sub-longueur d'onde.
Elles permettent de créer des optiques planes, légères et pouvant combiner plusieurs fonctionnalités (modulation du front d'onde et contrôle de la polarisation par exemple).
Nous décrivons ici les travaux concernant la conception, la fabrication et la caractérisation de métasurfaces optiques. Dans le premier chapitre, après une introduction sur l'historique des métasurfaces, nous présentons les outils de simulation GDM (Green Dyadic Method) et FDTD (Finite Difference Time Domain), permettant la simulation de la réponse optique de nanostructures. Dans le second chapitre est d'abord présentée la méthode de design utilisée. Celle-ci implique la création d'une base de données des réponses optiques de nanostructures diverses, obtenues par simulations FDTD. Ensuite, nous présentons le processus de fabrication utilisé, faisant intervenir une structuration par lithographie électronique. Nous introduisons également les outils de mesures utilisés pour caractériser les composants fabriqués. Dans le troisième chapitre, nous détaillons le design, la fabrication et la caractérisation d'une métasurface faisant office de déflecteur de lumière pour la longueur d'onde 750 nm. Cette métasurface est composée de nanodisques de silicium de hauteur 370 nm et de diamètres variant de 114 nm à 208 nm, répartis sur une grille périodique de pas 300 nm. Puis, nous identifions l'origine des différences entre les performances mesurées et celles prédites par les simulations. Dans un premier temps, des observations TEM nous permettent de caractériser précisément les nanostructures fabriquées et de les comparer aux designs théoriques. Nous étudions ainsi l'impact de ces différences sur les performances optiques du métadéflecteur fabriqué au moyen de simulations numériques. Nous considérons les erreurs systématiques (cad identiquement appliquées à toutes les structures) et statistiques. De ces études, nous en concluons que certaines imprécisions, associées à la forme latérale des structures (diamètre, pente des flancs, couche d'oxyde sur les flancs) sont très impactantes alors que d'autres semblent négligeables (hauteur, couche d'oxyde au-dessus). Dans le quatrième chapitre, nous utilisons une méthode de caractérisation optique basée sur une imagerie de phase : la ptychographie.
Cette méthode consiste en un traitement numérique d'un grand nombre de clichés de diffractions, acquis suite à l'éclairement de différentes portions d'un objet à imager.
Tout d'abord, un historique de la méthode ainsi que son principe de fonctionnement sont présentés. Ensuite, nous décrivons le banc expérimental utilisé tout en justifiant comment optimiser la résolution finale de reconstruction. Enfin, nous montrons l'efficacité de la méthode par la caractérisation de deux métasurfaces, dont une métalentille pour laquelle nous extrayons le profil de phase afin d'en évaluer les performances. Finalement, dans le cinquième et dernier chapitre, nous présentons une nouvelle approche pour la conception de métasurfaces. Cette méthode consiste à utiliser la précision de l'imagerie de phase de la ptychographie afin de s'affranchir de l'influence de défauts de fabrication systématiques. Ainsi, nous concevons, fabriquons et caractérisons par ptychographie une première métasurface de référence. Cette métasurface sert alors de nouvelle base de données à partir de laquelle nous concevons une nouvelle métalentille. Nous comparons alors la réponse optique de cette dernière avec celle du chapitre 4. Pour conclure, nous détaillons les avantages et inconvénients de cette approche par rapport à l'approche classique, et ouvrons sur les nombreuses perspectives que celle-ci apporte afin d'améliorer les performances des métasurfaces.Optical metasurfaces are optical components composed of a set of nanostructures that interact strongly with light, thus considerably modifying its properties over a thickness smaller than the wavelength. They offer the advantage of creating flat, lightweight optics that can also combine several functionalities (wavefront modulation and polarization control for example). Moreover, they represent a very active field of research because of their high potential. We describe here our work concerning the design, fabrication and characterization of optical metasurfaces. In the first chapter, after an introduction on the history of metasurfaces, we present the simulation tools GDM (Green Dyadic Method) and FDTD (Finite Difference Time Domain), which allow the simulation of the optical response of nanostructures. In the second chapter, the design method used is presented. It involves the creation of a database of optical responses of various nanostructures, obtained by FDTD simulations. Then, we present the fabrication process used, involving structuring by electron beam lithography. We also introduce the measurement tools used to characterize the fabricated components. In the third chapter, we detail the design, the fabrication and the characterization of a metasurface acting as a light deflector for the 750 nm wavelength. This metasurface is composed of silicon nanodiscs of height 370 nm and diameters varying from 114 nm to 208 nm. These nanodiscs are arranged on a periodic grid of 300 nm pitch.
Then, we focus on identifying the origin of the differences between the measured performances and those predicted by the simulations. Thus, we study the impact of possible nanofabrication errors on the optical performances of metasurfaces based on the meta-deflector that we had fabricated. First, TEM observations allow us to characterize precisely the fabricated nanostructures and to compare them with the theoretical design. We then study the impact of these differences on the optical performances of the fabricated meta-deflector by means of numerical simulations. We study the case where the errors are systematic (i.e., identically applied to all structures) and statistical. From these studies, we conclude that some imperfections, related to the lateral shape of the structures (diameter, slope of the sides, oxide layer on the sides) are very impacting while others seem negligible (height, oxide layer above). In the fourth chapter, we use an optical characterization method based on phase imaging called ptychography. This method consists of a digital processing of a large number of diffraction images, acquired following the illumination of different portions of an object to be imaged. First, a history of the method and its operating principle are presented. Then, we describe the experimental bench used while justifying how to optimize the final resolution of reconstruction. Finally, we show the efficiency of the method by characterizing two metasurfaces, including a metalens for which we extract the phase profile in order to evaluate its performance. Finally, in the fifth and last chapter, we present a new approach for the design of metasurfaces using ptychography. This method consists in using the accuracy of the ptychography phase imaging to get rid of the influence of systematic fabrication defects. Thus, we design, manufacture and characterize by ptychography a first reference metasurface. This metasurface is then used as a new database from which we design a new metalens. We then compare the optical response of the latter with that of chapter 4. To conclude, we detail the advantages and disadvantages of this approach compared to the classical one, and open on the numerous perspectives that it brings to improve the performances of metasurfaces
Dynamique des zones radiatives stellaires en rotation différentielle
Get PDFLes étoiles expérimentent des phases de contraction et/ou d'expansion à différentes étapes de leur existence. Les mesures sismiques de la rotation interne ont montré la nécessité d'améliorer la description physique des processus de transport du moment cinétique et des éléments chimiques durant ces phases d'évolution rapide. Par ailleurs, les relevés spectropolarimétriques indiquent une dichotomie champs forts/champs faibles parmi les étoiles de masse intermédiaire. Comprendre comment ces champs interagissent avec la rotation différentielle forcée par la contraction peut nous aider à élucider l'origine du magnétisme de ces étoiles. L'objectif de cette thèse est de progresser sur la question du transport du moment cinétique induit par la contraction d'une zone radiative stellaire magnétisée, ou non. À cette fin, nous réalisons des simulations axisymétriques (magnéto)hydrodynamiques d'une couche sphérique d'un fluide stablement stratifié en rotation et en contraction, possédant, ou non, un champ magnétique à grande échelle. La contraction est modélisée par un flux de masse radial stationnaire et les simulations sont effectuées dans les approximations de Boussinesq et anélastique. Une étude paramétrique étendue est menée afin de couvrir les différents régimes de rotation, contraction, stratification stable et champ magnétique, appropriés dans les étoiles considérées. En l'absence de champ magnétique, nous déterminons deux régimes pertinents : le régime d'Eddington-Sweet, dans lequel la circulation méridienne domine le transport de moment cinétique, et le régime visqueux où la viscosité joue un rôle prépondérant. Le régime d'Eddington-Sweet, pertinent pour les étoiles de la pré-séquence principale et dans les sous-géantes en dehors de leur cœur dégénéré, aboutit naturellement à une rotation différentielle à la fois en rayon et en latitude. Le régime visqueux, correspondant au cœur dégénéré des sous-géantes, conduit quant à lui à un profil de rotation à symétrie sphérique. Dans les deux cas, nous obtenons une loi d'échelle qui permet d'estimer l'amplitude de la rotation différentielle. Lorsqu'un champ magnétique est imposé, l'écoulement est caractérisé par deux régions magnétiquement découplées. Dans l'une d'elles la tension magnétique impose une rotation solide alors que dans l'autre, que l'on appelle la zone morte, la force de Lorentz devient passive et une rotation différentielle existe. Dans certains cas, nous montrons que le cisaillement en latitude présent dans les zones mortes déclenche une puissante instabilité axisymétrique capable de détruire la structure à grande échelle du champ magnétique et d'entraîner une reconfiguration de l'écoulement. Nous proposons que ceci puisse potentiellement expliquer l'évolution rotationnelle des sous-géantes ainsi que la dichotomie observée entre champ forts/champ faibles des étoiles de masse intermédiaire.Stars experience contraction and/or expansion phases at different stages of their existence. Seismic measurements of internal rotation have shown the need to improve the physical description of transport processes of angular momentum and chemical elements during these rapid phases of evolution. In addition, spectropolarimetric surveys suggest a strong-fields/weak-fields dichotomy among the intermediate-mass stars. Understanding how these fields interact with the differential rotation forced by the contraction could help us to address the origin of the magnetism of these stars. This thesis aims at making progress on the issue of the angular momentum transport induced by the contraction of a magnetised, or non-magnetised, stellar radiative zone. For this purpose, we perform axisymmetric (magneto)hydrodynamical simulations of a stably stratified rotating spherical layer undergoing contraction, having or not, a large-scale magnetic field. Contraction is modelled by a steady radial mass flux and simulations are carried out in the Boussinesq and anelastic approximations. An extensive parametric study is conducted to cover the different regimes of rotation, contraction, stable stratification and magnetic field that are appropriate for stars. In the absence of magnetic field, we determine two relevant regimes: the Eddington-Sweet regime in which the meridional circulation dominates the angular momentum transport, and the viscous regime where the viscosity plays a leading role. The Eddington-Sweet regime, relevant for pre-main sequence stars and outside the degenerate core of subgiants, naturally results in a differential rotation, both in latitude and radius. The viscous regime, relevant in the degenerate core of subgiants, leads to a spherically symmetric rotation profile. In both cases, we derive a scaling law which enables us to estimate the amplitude of the differential rotation. When a magnetic field is applied, the flow is characterised by the presence of two magnetically decoupled regions. In one of them, magnetic tension imposes solid-body rotation while in the other, called the dead zone, the Lorentz force becomes negligible and a differential rotation exists. In some cases, we show that the latitudinal shear built in the dead zones triggers a powerful axisymmetric instability able to destroy the large-scale structure of the magnetic field and to result in a flow reconfiguration. We propose that this could potentially explain the rotational evolution of subgiants as well as the observed dichotomy between strong-fields/weak-fields of intermediate-mass stars
Effets coopératifs avec les métaux du groupe 10 : catalyse multi-coopérative et ligands non-innocents
Get PDFCe travail de thèse porte sur l'étude des effets coopératifs en catalyse avec des complexes pince des métaux du groupe 10, et en particulier le palladium. Dans le premier chapitre de ce manuscrit, une étude bibliographique approfondie sur les complexes pince des métaux du groupe 10 comportant un ligand chimiquement non-innocent est présentée. Les points communs et les différences entre les différents systèmes sont discutés. Ils ont été divisés en 3 grandes familles, en fonction de la réactivité du site non-innocent sur le ligand (riche en électrons, acide de Lewis, réservoir de groupes fonctionnels). Le second chapitre présente le développement et l'application en catalyse d'un nouveau système multi-catalytique basé non-seulement sur la coopérativité métal-ligand mais sur sa synergie avec un acide de Lewis externe. Grâce à ce nouveau système multi-coopératif, la formation de cycles carbonés (et d'hétérocycles) a été réalisée efficacement à travers une réaction de cycloisomérization impliquant la création d'une liaison C-C. Une large librairie de substrats a pu être cyclisée et une stéréochimie complémentaire par rapport à la littérature a été montrée par notre système multi-coopératif.
Ensuite, le troisième chapitre porte sur le design et la synthèse d'un nouveau ligand pince non-innocent ainsi que sa coordination sur le palladium. Une nouvelle espèce désaromatisée a pu être générée et caractérisée. Le caractère non-innocent du ligand désaromatisée a été mis en évidence au travers de réactions stoechiométriques. Au cours de ces travaux, un rare exemple de complexes palladium-hydrure portant un atome d'hydrogène acide au sein d'un ligand non-innocent a été isolé et caractérisé. Grâce à notre design de ligand, un second mode de coopérativité basé sur une liaison palladium-soufre a pu aussi être exploré, et il est présenté dans le quatrième chapitre de ce manuscrit. L'activation stoechiométrique de liaisons E-H (E = Si, Ge) par ce complexe se traduit par la formation d'une liaison E-soufre et palladium-hydrure. Cette coopérativité a pu être ensuite appliquée en catalyse à travers l'hydroélémentation d'alcynes. Dans cette réactivité, notre design de ligand apporte une diversité mécanistique et offre un profil réactionnel complémentaire par rapport aux systèmes déjà connus.This PhD work relates to the study of cooperative effects in catalysis with group 10 metals pincer complexes, with a particular focus on palladium. In the first chapter of this manuscript, an extensive bibliographic survey on group 10 metals pincer complexes bearing a chemically non-innocent ligand is presented. Common ground and differences between the presented systems are highlighted and discussed. They have been divided in 3 big families, depending on the reactivity exhibited by the ligand backbone (electron-rich, Lewis-acid, functional group reservoir). The second chapter presents the development and application in catalysis of a new system based not only on MLC but its use in synergy with an external Lewis acid. Thanks to this new multi-cooperative system, the formation of carbocycles (and heterocycles) was efficiently promoted through a cycloisomerization reaction involving a C-C bond formation. A wide scope of substrates could be cyclized and a complementary stereoselectivity compared to that reported in the literature was displayed by our system. The third chapter is focused on the design and the synthesis of a new non-innocent pincer ligand along with its coordination to palladium. A new dearomatized species could be generated and characterized. The non-innocent behavior of the dearomatized ligand was demonstrated through stoichiometric reactions. During this work, a rare example of a palladium-hydride complex bearing an acidic hydrogen center at a non-innocent ligand was isolated and characterized. Thanks to our ligand design, a second cooperativity mode based on a palladium-sulfide interaction could be explored and is presented in the fourth chapter of this manuscript. The stoichiometric E-H bond activation (E = Si, Ge) with this complex results in the formation of a E-sulfide bond and a palladium hydride. This cooperativity was then applied to catalysis with the hydroelementation of alkynes. In this reactivity, our ligand design brings mechanistic diversity and a complementary reaction profile compared to known systems
Etude de la dégradation des membranes de filtration polymères exploitées en bioréacteurs à membranes
Get PDFMalgré le fait que les bioréacteurs à membranes (BRM) soient largement appliqués au traitement des eaux usées, l'étude approfondie du vieillissement des matériaux membranaires dans les conditions d'exploitation des BRM à l'échelle industrielle est nécessaire afin de comprendre et anticiper celui-ci. Ainsi, l'objectif de ce travail vise à (i) comprendre l'action chimique de l'hypochlorite de sodium sur les fibres creuses commerciales de polyfluorure de vinylidène (PVDF)/polyvinylpyrrolidone (PVP) utilisées dans les BRM et (ii) décrire le vieillissement dans les BRMs traitant des eaux usées urbaines, sur la base de la caractérisation de membranes prélevées sur site et des indicateurs d'exploitation à l'échelle industrielle. Pour cela, des membranes ZeeWeed® 500D ont été vieillies à l'échelle laboratoire par trempage dans une solution d'hypochlorite de sodium (1000 ppm et pH 9.0) similaires aux conditions de nettoyage à l'échelle industrielle. Par ailleurs, des prélèvements de membranes ont été effectués entre 2016 et 2021 au sein des cellules membranaires de deux stations de traitement des eaux résiduaires urbaines (de capacités respectives de 50 000 et 300 000 m3/j). Les données d'exploitation ont été collectées et analysées en parallèle. Les fibres creuses vieillies à l'échelle laboratoire et à l'échelle industrielle ont été caractérisées à l'aide de méthodes analytiques similaires et comparées en considérant leur dose d'exposition au chlore (C x t). De grandes différences ont été trouvées entre le vieillissement aux deux échelles. À l'échelle laboratoire, les membranes ont présenté des propriétés mécaniques stables. Trois phases distinctes ont été observées pour l'évolution de la perméabilité intrinsèque avec une augmentation jusqu'à une dose de 78 000 ppm.h (+ 90% de la perméabilité initiale) en raison de la dégradation de la PVP et de la formation de pores de petite taille (diamètre 150 000 ppm.h, la perméabilité reste relativement constante autour de sa valeur initiale. À l'échelle industrielle, une diminution des propriétés mécaniques est observée en lien avec les conditions dynamiques des BRMs (filtration, aération, rétrolavages, etc.). De plus, une augmentation de la perméabilité est également observée (C x t 40 nm). Ces changements ont favorisé un colmatage irréversible important, en comparaison des échantillons issus des vieillissements à l'échelle laboratoire. A l'échelle industrielle, l'indice de perméabilité (représentant le rapport flux de perméat/pression transmembranaire) mesuré après chaque nettoyage intensif diminue de l'ordre de 20% sur l'ensemble de la période de suivi, pour les deux installations étudiées. Cette baisse est fortement corrélée à la teneur en PVP et à la perméabilité intrinsèque des membranes, permettant ainsi d'identifier des indicateurs clés pour la surveillance du vieillissement des membranes en BRM.
Cette étude a montré que la compréhension des mécanismes à l'origine de l'action du NaOCl sur les membranes supportées en PVDF peut ne pas représenter ce qui se produit réellement lors d'un fonctionnement en BRM. Une contribution non négligeable des conditions de filtration/rétrolavage, de l'aération et du colmatage résiduel, spécifiques aux conditions d'exploitation sur site, peuvent modifier de manière significative les mécanismes de vieillissement. Des autopsies de fibres prélevées et la surveillance d'indicateurs de fonctionnement pertinents restent donc nécessaires.While membrane bioreactors (MBR) have been broadly applied to wastewater treatment, a comprehensive study of the aging of membrane materials under operating conditions of MBR at full-scale is necessary in order to understand and to anticipate it. Thus, the present research aim (i) to analyse the chemical action of sodium hypochlorite to commercial polyvinylidene difluoride (PVDF)/Polyvinylpyrrolidone (PVP) hollow fibers used in MBR, (ii) to describe membrane ageing of such materials in urban wastewater full-scale MBR based on a coupled characterization of harvested membranes and full-scale process indicators. To that end, ZeeWeed® 500D membranes were aged at bench-scale by single soaking in hypochlorite solution at a concentration (1000 ppm) and pH (9.0) similar to MBR cleaning protocols. In addition, membranes were sampled between 2016 and 2021 from modules from two urban wastewater treatment plants (capacities of 50,000 m3/d and 300,000 m3/d, respectively). Simultaneously, process data were collected and analyzed. Both bench-scale and full-scale aged hollow-fibers were characterized using similar analytical methods and compared considering the chlorine exposure dose (C x t). Significant differences were found between ageing mechanisms at both scales. At bench-scale, membranes presented stable mechanical properties. Three distinctive phases were observed for the changes on intrinsic permeability with an initial increasing phase up to a C x t of 78,000 ppm.h (+ 90% with respect to the initial permeability), because of hydrophilic agent degradation and the formation of small pores (diameter 40 nm). These changes favored irreversible fouling in contrary to bench-scale ageing. At full-scale, permeability index (the ratio of permeate flux and transmembrane pressure during the process) after each cleaning-in-place protocol decreases to around 20% over the studied period for both facilities. This decline is well correlated to the PVP content and intrinsic permeability, allowing the determination of key indicators to monitor membrane ageing. This study showed that understanding the mechanisms behind the action of NaOCl on supported PVDF membranes may not represent what actually occurs at full-scale operation. A non-negligible contribution of filtration conditions, mechanical stress due to aeration and backwashes, and residual fouling, specific to onsite operating conditions, may significantly change ageing mechanisms. Continuous autopsies of harvested fibers over the years and monitoring consistent full-scale operating indicators are still needed
Nanotubes de carbone pour la délivrance transdermique électrostimulée de molécules thérapeutiques
Get PDFLa délivrance de molécules hydrophiles et de macromolécules à travers la peau grâce à l'électroporation est une approche alternative prometteuse à l'injection intradermique. Récemment, nous avons développé un matériau nanocomposite composé de nanotubes de carbone biparois (NTC) et d'un hydrogel d'agarose, pouvant servir à la fois d'électrode et de réservoir adapté à cet objectif. Dans ce matériau, les NTC sont piégés au sein de la matrice d'agarose afin de pouvoir exploiter leurs propriétés mécaniques et électriques, tout en s'affranchissant des questions de toxicité potentielle que leur utilisation soulève. Dans les travaux présentés ici, nous avons approfondi la caractérisation de ce dispositif deux-en-un et évalué son potentiel pour permettre la délivrance transdermique non- invasive de principes actifs par électroporation de la peau.
La première partie de ces travaux détaille l'amélioration de l'élaboration du matériau nanocomposite et la caractérisation de ses propriétés. Dans un premier temps, nous avons étudié l'impact de l'ajout d'un dispersant des NTC (Carboxyméthylcellulose ou CMC) sur la préparation du nanocomposite et sur ses différentes propriétés.
D'autres procédés visant à améliorer et uniformiser la mise en forme des échantillons obtenus ont aussi été explorés. Nous avons ensuite évalué et comparé la capacité de ces différents nanocomposites à stocker puis restituer un principe actif en utilisant un dextran fluorescent de 4kDa comme molécule modèle (FD4). Enfin nous avons mesuré leurs propriétés mécaniques par rhéométrie ainsi que leurs propriétés de conduction électrique. L'ensemble de ces analyses a confirmé que la présence de CMC permettait une meilleure dispersion des NTC dans les nanocomposites. Cependant, la concentration massique de NTC majoritairement utilisée lors de ces travaux s'est révélée insuffisante pour engendrer des variations significatives des propriétés du matériau. La deuxième partie de ces travaux concerne l'utilisation de ces nanocomposites comme plateforme de délivrance sur des peaux de souris " hairless " ex-vivo. Premièrement, la disposition et la configuration des électrodes utilisées étant différentes de celles de la littérature relative à l'électroporation, nous avons répondu à des questions fondamentales. Nous avons démontré l'efficacité du dispositif à perméabiliser les cellules de l'épiderme de la peau, et identifié le caractère réversible de cette perméabilité induite. Dans une seconde étape, nous avons étudié l'effet des propriétés physico-chimiques (masse et charge) des molécules, ainsi que le rôle respectif des forces motrices de délivrance que sont l'électrophorèse et la diffusion passive. Ces observations nous ont permis de mettre en évidence, pour la première fois à notre connaissance, une asymétrie entre la cathode et l'anode dans la génération des chemins de perméabilisation dans le stratum corneum lors de l'électroporation. Finalement, nous avons évalué la toxicité des NTC sur plusieurs lignées cellulaires de la peau et n'avons observé aucun effet néfaste de ces derniers, dans nos conditions expérimentales.
Les travaux effectués au cours de cette thèse nous ont permis de montrer la pertinence d'un dispositif deux-en-un pour la délivrance transdermique non-invasive de molécules hydrophiles par électroporation. Nous avons pu déterminer les leviers disponibles pour l'optimisation des propriétés d'électrodes et de réservoir du nanocomposite. Enfin notre compréhension des mécanismes mis en jeu lors de la délivrance transdermique par électroporation a pu être approfondi, posant ainsi des bases solides pour de futurs travaux.The delivery of hydrophilic molecules and macromolecules through the skin thanks to electroporation is a promising alternative approach to intradermal injection. Recently, we developed a nanocomposite material composed of double-walled carbon nanotubes (CNT) and an agarose hydrogel that can be used as both an electrode and a reservoir to apply this technique. In this material, CNT are entrapped in the agarose matrix in order to exploit their mechanical and electrical properties, while avoiding the toxicity concerns possibly raised by their use. In the work presented here, we deepened the characterization of such a two-in-one device and evaluated its potential for non- invasive transdermal drug delivery using skin electroporation. The first part of this work details the improvement of the nanocomposite elaboration and the characterization of its properties. At first, we evaluated the impact of the addition of a CNT dispersant (Carboxymethyl cellulose, CMC) on the nanocomposites' preparation and properties. Furthermore, others nanocomposite processing methods were explored, aiming to improve the uniformity of the samples. Subsequently, we used a 4kDa fluorescent dextran (FD4) as a model molecule to assess and compare the capacity of those different nanocomposites to store and release a drug. We measured the mechanical properties of the materials using rheometry. Finally, we compared their electrical conduction properties. Those analyses confirmed that the addition of CMC led to a better dispersion of CNT within the nanocomposites. However, the CNT concentration mostly used in this work revealed itself not enough to cause significant variations of the properties of the material.
The second part of this work focuses on the use of those nanocomposites as delivery platforms in hairless mice skin model ex vivo. The electrodes layout and configuration used here are different from the literature relative to electroporation. As such, the first step was to answer fundamental questions. We first demonstrated the efficiency of the device to permeabilize cells located in the epidermis of murine skin and identified the reversible nature of the induced permeability. In a second step, we investigated how the physicochemical properties (mass and charge) of the molecules influence their delivery. We also studied the respective role of phenomena driving the delivery such as electrophoresis and passive diffusion. Our observations allowed us to uncover for the first time to our knowledge, an asymmetry between the cathode and the anode in the permeabilization pathways generated inside the stratum corneum during skin electroporation. Finally, we assayed CNT toxicity on different skin cell lines and did not observe any harmful effects of the latter in our experimental conditions. The work conducted during this thesis allowed us to demonstrate the relevance of a two-in-one device for non- invasive transdermal delivery of hydrophilic molecules using skin electroporation. We were able to determine the available levers for the optimization of the properties of the electrodes/reservoir nanocomposites. Finally, we deepened our understanding of the mechanisms involved during transdermal drug delivery assisted by electroporation, paving the way for further works
Méthodologie de calibration en support à la validation des outils de simulation neutronique
Get PDFLes études de conception et de sûreté d'un cœur de réacteur nucléaire se basent sur des Outils Calculs Scientifiques (OCS). Ces OCS ne sont cependant qu'une modélisation numérique d'un système physique réel. Ainsi, lors des comparaisons calculs/expériences, des différences peuvent apparaître. Dans cette thèse nous nous intéressons à la répartition spatiale des neutrons dans un cœur, mesurée localement par une Instrumentation In-Core et simulée par un code de transport de particules. On présume que les écarts observés entre les mesures et les simulations ont pour sources principales les incertitudes sur les données technologiques. Ces incertitudes technologiques correspondent essentiellement à l'incertitude associée à l'usinage et l'assemblage du cœur tel que fabriqué.
Afin de mieux maîtriser les écarts entre les simulations et les expériences, nous proposons de calibrer les données technologiques du modèle numérique sur les données du cœur tel que fabriqué. Dans ce but, des prédictions issues du simulateur, réalisées sur un jumeau numérique sont confrontées aux mesures expérimentales équivalentes réalisées à l'aide d'une Instrumentation In-Core. Le cadre bayésien est alors utilisé pour réaliser la calibration. Face au faible nombre de mesures à disposition, ce cadre permet de combiner un ensemble de mesures métrologiques réalisées directement sur le cœur fabriqué aux mesures expérimentales issues des campagnes d'expériences afin d'aboutir à une calibration plus riche. Cependant, pour réaliser cette assimilation, un nombre important d'appels au simulateur doit être réalisé. Ce simulateur est coûteux en temps de calcul, le simulateur utilisé pour prédire les grandeurs d'intérêts est le code Monte-Carlo de transport de particule TRIPOLI-4(r). Il est donc nécessaire de construire un métamodèle de ce simulateur pour pouvoir réaliser la calibration. Pour ce faire, nous développons et utilisons des méthodes de neutronique. Elles permettent d'estimer les effets associés aux perturbations des paramètres technologiques incertains à un moindre coût en termes de temps de calculs. Nous utilisons ces estimations pour construire l'émulateur du simulateur en utilisant le formalisme du modèle linéaire bayésien. Le travail présenté dans ce document consiste à développer une méthodologie combinant des modèles physiques simplifiés (issus de méthodes de neutronique) et des approches statistiques afin de calibrer l'ensemble des paramètres technologiques incertains. À la suite de cette calibration, nous avons montré une réduction significative des écarts calculs/expériences. Notre travail permet donc de quantifier les incertitudes de calcul des OCS utilisés lors des études de conception et de sûreté.The design and safety studies of a nuclear reactor core are based on scientific tools. However, these tools are only numerical models of a real physical system. Thus, during comparisons between calculations and experiments, differences may appear. In this work, we are interested in the spatial distribution of neutrons in a core, measured locally by in-core instrumentation and simulated by a particle transport code. It is envisaged that the discrepancies observed between such measurements and simulations would have for main sources uncertainties on the technological data. These technological uncertainties correspond essentially to the uncertainty associated with the manufacturing and assembly of the fabricated core.
To improve the control of discrepancies between simulations and experiments, we propose to calibrate the technological data of the numerical model on the data of the fabricated core. For this purpose, predictions from the simulator, performed on a numerical twin of the experiment, are compared with equivalent experimental measurements performed with in-core instrumentation. The Bayesian framework is then used to perform this calibration. Given the small number of measurements available, this framework make it possible to combine a set of metrological measurements made directly on the manufactured core with experimental measurements from the experimental campaigns. This allow us to achieve a better calibration. However, to achieve this assimilation, a significant number of calls to the simulator must be made. This simulator is expensive in terms of calculation time. Indeed, the simulator used to predict the quantities of interest is the Monte-Carlo particle transport code TRIPOLI-4(r). It is therefore necessary to construct a metamodel of this simulator to perform the calibration.
For this purpose, we use and develop neutronics methods. They allow estimating the effects associated with the perturbations of uncertain technological parameters at a lower cost in computation time. These estimates were then used to construct the simulator of the emulator following the Bayesian linear model formalism. Our work consists in developing a methodology combining simplified physical models (from neutronics methods) and statistical approaches to calibrate the whole set of uncertain technological parameters. Following this calibration, we obtain a significant reduction of the calculation/experimental deviations. This allows us to quantify the uncertainties of the scientific calculation tools used during the design and safety studies
Modélisation et optimisation multidisciplinaire robuste de l'avion dans le système du transport aérien
Get PDFLes enjeux économiques associés à la conception, au développement et à l'exploitation des avions sont depuis des décennies des moteurs forts pour poursuivre les efforts technologiques et opérationnels visant à réduire la consommation des avions. Depuis un peu plus d'une décennie et suite au Grenelle de l'Environnement et la mise en place du Conseil pour la Recherche Aéronautique Civile (CORAC), les inquiétudes et ambitions environnementales ont encore exacerbé le besoin de s'inscrire dans une perspective de développement durable du transport aérien. Enfin, la large prise de conscience, lors de la COP 21 à Paris, de l'urgence climatique impose comme une nécessité de réunir toutes les connaissances et les savoir-faire pour décarbonner le transport aérien. L'optimisation de l'avion est un élément essentiel de sa conception et son exploitation et implique de multiples disciplines. Les processus et méthodes d'optimisation multidisciplinaires (MDO) n'ont pas cessé de progresser depuis le début de leur utilisation industrielle dans les années 80 et sont désormais de plus en plus utilisés à chaque étape de la conception d'un nouvel avion. Leur approche itérative du problème visant à converger vers la meilleure solution tend à apparaître à tous les niveaux, des analyses multidisciplinaires aéro-structurales automatisées s'appuyant sur des modèles de différents niveaux de fidélité jusqu'au processus industriel global visant à répondre au besoin des compagnies aériennes. Malgré ces efforts, nous constatons que l'avion est en pratique rarement exploité précisément dans les conditions définies dans les exigences de conception (techniques, géométriques, opérationnelles et réglementaires) et utilisées pour son optimisation dès les premières phases de son processus de développement. Cela est une source de perte d'optimalité pour le système du transport aérien (STA) vis-à-vis de sa mission fondamentale : transporter des passagers ou des marchandises d'un point à un autre par la voie des airs. Ces observations nous amènent à poser à la question suivante : est-il possible de rendre l'avion plus robuste d'un point de vue opérationnel en renforçant, dès les phases de design conceptuel, le lien avec le STA, par de nouvelles formulations MDO? Nous proposons la méthodologie suivante. Dans la première étape, nous repositionnons l'avion dans le STA afin de mieux représenter comment il contribue à son activité mais aussi comment le monde opérationnel influence son design. La deuxième étape vise à réunir des données représentant l'exploitation réelle des avions afin d'en tirer des modèles pertinents, et un outil multidisciplinaire de design conceptuel simulant le processus de conception d'un avion. Lors de la dernière étape, nous étudions trois cas d'application. Le premier étudie la perte d'optimalité opérationnelle due aux variabilités dans les distances de vol. Le deuxième aborde les exigences au décollage en les faisant passer d'un statut de contraintes à un statut de variables de design dans la formulation MDO. Enfin le troisième cas d'application prend en compte les variabilités opérationnelles en croisière, observées et modélisées, dans le processus de design conceptuel. Le premier chapitre de cette thèse présente une analyse de l'existant industriel et académique vis-à-vis de la conception avion et de la représentation du STA, une revue des bases de données opérationnelles existantes et des outils de design conceptuel, ainsi que l'état de l'art relatif à la prise en compte des opérations dans la conception avion et aux méthodes utilisées dans le reste de la thèse. Le deuxième chapitre traite de la calibration de l'outil de conception MARILib, des données opérationnelles utilisées et des modèles qu'elles nous permettent de construire. Le troisième et dernier chapitre présente les trois cas d'application étudiés. Enfin, une conclusion revient sur les principales contributions de cette thèse, les limites et les perspectives associées.For decades, the economic stakes associated with the design, development and operations of aircraft have been strong drivers for pursuing technological and operational efforts to reduce aircraft fuel consumption. Since the Grenelle de l'environnement and the establishment of the Conseil pour la Recherche Aéronautique Civile (CORAC) in 2008, both environmental concerns and ambitions have further exacerbated the expectations of the air transport system (ATS) towards sustainable development. Finally, the widespread awareness, during COP 21 in Paris, of the climate urgency makes it necessary to bring together all the knowledge and know-how to decarbonize air transport. Aircraft optimization is an essential part of its design and oper- ations, and it involves multiple disciplines. Multi- Disciplinary Optimization (MDO) processes and methods have steadily advanced since they were first developed and used in the scientific community and in the industry in the 1980s. They are now increasingly used at every stage of new aircraft design. The objective of their iterative approach to the problem is to converge towards better solutions. It tends to be used in all phases of the process, from automated aero- structural multidisciplinary analyses based on models of different levels of fidelity, to the overall industrial process aimed at meeting the needs of airlines companies. Despite these efforts, the aircraft is in fact hardly ever operated on the conditions that are defined in the design requirements (technical, geometrical, operational, and regulatory) and that are used for optimizing it from the very early stage of its development process. This implies a loss of optimality of the ATS when fulfilling its fundamental mission: to carry passengers, freight, and mail from one place to another through air transportation. Having noticed this, we ask the following question: is it possible to improve the airplane and make it more robust, from an operational point of view, by tying the link, from the conceptual design phase, with the ATS and its other components, through new MDO formulations? To answer this question, we propose the following methodology. First, we position the aircraft in the ATS in order to better understand and better represent how the aircraft contribute to the ATS activity, but also in order to capture how the operations influence the aircraft design. Our second step consists in gathering data to observe real aircraft operations, such as those obtained via flight data recorder, in order to create meaningful models, and an overall aircraft design (OAD) tool to simulate the conceptual design process of an aircraft. During the last step, we focus on three use cases. The first quantifies the loss of operational optimality due to range variability. The second use case tackles the take-off distance requirements and turn them from design constraints to design variables in the MDO formulation. Finally, the last use case considers cruise variabilities, as observed and modelled, in the conceptual design process. The first chapter of this thesis presents a review of the academic and industrial practices with regards to aircraft design and the representation of the ATS, a synthesis of available operational data and conceptual airplane design tools, as well as a state of the art on how the operations are taken into account in the design process and on the mathematical methods and tools used in this thesis. The second chapter addresses the calibration of the MARILib aircraft conceptual tool, and the processing of the operational data used, how we enrich them and which models we build from them. The third and last chapter describes the three use cases. Finally, a conclusion recalls the main contributions of this thesis, discusses its limits, and presents the related perspectives
Modélisation du comportement mécanique des structures en bétons fibrés à ultra-hautes performances
Get PDFUn modèle de comportement mécanique des bétons fibrés est développé et implanté dans le logiciel élément fini Cast3m. Il vient compléter le modèle de fissuration orthotrope du béton Fluendo3D, en ajoutant la capacité de traiter des matériaux à fibres courtes, cylindriques et rectilignes. Ce modèle, qui s'appuie sur des essais et modèles de la littérature, permet d'apporter des éléments de compréhension du comportement de ce type de matériau, et notamment concernant le phénomène de multi-fissuration. La caractérisation des phénomènes mis en jeu durant l'extraction des fibres est le point de départ de cette étude. Les effets de l'inclinaison des fibres par rapport à la direction d'extraction sont pris en compte et interviennent dans le comportement du modèle qui présente la capacité d'utiliser des orientations préférentielles de fibres. Le phénomène de multi-fissuration est représenté grâce à une loi d'effet d'échelle de Weibull qui permet de tenir compte de la dispersion des résistances à la traction du béton et d'expliquer le développement de la multi-fissuration. Cette représentation permet d'obtenir des distributions d'ouvertures de fissures dans des macro-éléments finis, et apporte donc une nouvelle précision dans le calcul des ouvertures de fissures dans des structures de grandes dimensions.A model for the mechanical behavior of fiber-reinforced concrete is developed and implemented in Cast3m finite element software. It completes the orthotropic concrete cracking model Fluendo3D, by adding the ability to treat materials with short, cylindrical and straight fibers. This model, which is based on tests and models from the literature, provides elements of understanding of the behavior of this type of material, especially concerning the phenomenon of multi-cracking. The characterization of the phenomena involved during the extraction of the fibers is the starting point of this study. The effects of the inclination of the fibers with respect to the direction of extraction are taken into account and intervene in the behavior of the model which presents the capacity to use preferential orientations of fibers. The multi-cracking phenomenon is represented by a Weibull scaling law that allows to take into account the dispersion of the concrete tensile strengths and to explain the development of multi-cracking process. This representation makes it possible to obtain crack opening distributions in macro-finite elements, and thus brings a new precision in the calculation of cracks openings in large structures