Thèse Programmation de Gradients d'Hydratation pour Résoudre la Diffusion Multicomposants aux Interfaces Biologiques H/F Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Institut National Polytechnique de Toulouse École doctorale : MEGEP - Mécanique, Energétique, Génie civil, Procédés Laboratoire de recherche : LGC - Laboratoire de Génie Chimique Direction de la thèse : Kevin ROGER ORCID 0000000179140951 Début de la thèse : 2027-09-01 Date limite de candidature : 2026-11-23T23:59:59 Dans un mélange contenant plusieurs espèces, les molécules ne se déplacent pas indépendamment. Les gradients d'eau, de lipides, de protéines, d'ions ou de petites molécules peuvent modifier simultanément les flux, l'auto-assemblage et la fonction d'un film. Cette question est centrale pour les interfaces biologiques, mais les expériences classiques fournissent souvent des mesures globales difficiles à relier aux mécanismes moléculaires.

Cette thèse développera une approche expérimentale pour suivre le transport de plusieurs espèces dans des films hydratés. Des dispositifs microfluidiques permettront de maîtriser les conditions aux limites et de comparer différentes histoires d'hydratation ou de composition. La microscopie Raman confocale, complétée si nécessaire par des sondes fluorescentes, donnera accès à des profils propres à chaque espèce. Ces données seront combinées à des modèles de transport et à des mesures structurales et thermodynamiques afin de relier les flux observés à la composition et à l'organisation du film.

L'application principale concernera la santé et le bien-être. Le projet étudiera des films de surfactant pulmonaire, des modèles de barrière lipidique de la couche cornée, ainsi que des films biologiques et des biofilms en environnement salivaire ou muqueux. Le suivi de la pénétration et du partitionnement de plusieurs molécules permettra d'étudier la fonction de barrière et les échanges dans ces milieux, au-delà d'un simple coefficient global de perméabilité. Cette approche pourra contribuer à mieux comprendre le transport dans les interfaces biologiques et à orienter la conception de formulations ou de systèmes de délivrance. Elle permettra d'établir une base de connaissance générique utilisable dans d'autres champs applicatifs. Dans les films biologiques, l'eau, les lipides, les protéines, les polysaccharides, les ions et les petites molécules évoluent ensemble. Leurs gradients peuvent modifier simultanément la structure du film, la mobilité des espèces et sa fonction de barrière. Cette situation est importante pour le surfactant pulmonaire, la couche cornée, les pellicules salivaires et les biofilms, où la pénétration de plusieurs molécules dépend de l'hydratation et de l'organisation locale. Les expériences disponibles fournissent souvent des mesures globales difficiles à relier aux mécanismes de transport. Le projet utilisera donc des conditions aux limites contrôlées pour enrichir les observations et comparer différentes histoires d'hydratation ou de composition. L'objectif est de relier les profils de concentration et les flux de plusieurs espèces à la structure et à la fonction de ces interfaces, dans une approche transférable aux formulations non biologiques et au séchage des électrodes de batterie.

In biological films, water, lipids, proteins, polysaccharides, ions, and small molecules evolve together. Their gradients can simultaneously alter the film structure, species mobility, and barrier function. This is relevant to pulmonary surfactant, the stratum corneum, salivary films, and biofilms, where the penetration of multiple molecules depends on hydration and local organization. Available experiments often provide bulk measurements that are difficult to relate to transport mechanisms. The project will therefore use controlled boundary conditions to enhance the observations and compare different hydration or composition histories. The aim is to relate the concentration profiles and fluxes of multiple species to the structure and function of these interfaces, using an approach transferable to non-biological formulations and battery-electrode drying. L'objectif général est de comprendre et de quantifier le transport de plusieurs espèces dans des films hydratés dont la composition et la structure évoluent. Le doctorat visera à : (1) mettre au point des dispositifs microfluidiques permettant de contrôler les conditions expérimentales ; (2) suivre séparément plusieurs espèces par microscopie Raman confocale, éventuellement avec des sondes complémentaires ; (3) établir un cadre de modélisation pour relier les interactions et les flux couplés ; (4) appliquer cette approche à des interfaces biologiques telles que le surfactant pulmonaire, la barrière cutanée et les biofilms en environnement salivaire ou muqueux.

The overall aim is to understand and quantify the transport of multiple species in hydrated films whose composition and structure evolve over time. The PhD project will seek to:
1. Develop microfluidic devices for controlling experimental conditions;
2. Track multiple species separately using confocal Raman microscopy, potentially complemented by additional probes;
3. Establish a modelling framework linking interactions to coupled fluxes; and
4. Apply this approach to biological interfaces such as pulmonary surfactant, the skin barrier, and biofilms in salivary or mucosal environments. Des canaux microfluidiques seront utilisés pour établir une géométrie de diffusion bien contrôlée et limiter la convection. L'humidité, l'activité de l'eau, la composition liquide ou les conditions osmotiques pourront être ajustées afin de comparer des situations de transport différentes. La microscopie Raman confocale donnera accès aux profils spatiaux de plusieurs espèces ; pour les systèmes biologiques, des sondes fluorescentes pourront compléter ces mesures afin de suivre la pénétration et le partitionnement dans des films lipidiques, salivaires ou des biofilms. Des caractérisations structurales et thermodynamiques préciseront l'organisation et l'état d'hydratation des films. Les résultats seront interprétés avec des modèles de transport afin d'identifier les couplages entre espèces et de relier les observations à la fonction de barrière.

Microfluidic channels will be used to establish a well-controlled diffusion geometry and minimize convection. Humidity, water activity, liquid composition, and osmotic conditions may be adjusted to compare different transport regimes. Confocal Raman microscopy will provide spatial profiles of multiple species; for biological systems, fluorescent probes may complement these measurements to monitor penetration and partitioning in lipid films, salivary films, or biofilms. Structural and thermodynamic characterizations will provide insight into the organization and hydration state of the films. The results will be interpreted using transport models to identify couplings between species and link the observations to barrier function.