Procédés et mécanique aux petites échelles PROMETHEE

Deformable micro-objects under hydrodynamic forcing

Microfluidics and Processes

Flow organization at small scales

Membrane separations


Processes and Small Scales Mechanics Team

The PROMETHEE team develops marked competences in the field of continuum mechanics and process engineering, while combining experimental approaches with the development of theories and models. The originality of the studies carried out is declined according to several specificities:

  • Micro-nano scale of observation and analysis that evacuates the problems related to turbulence (Stokes regime) but requires to consider aspects at the boundaries of the discipline;
  • Predominant role of interfaces: interactions with solid walls at the nano scale (nano-tubes), fluid-structure interaction with fluid or polymerized membranes at the meso scale;
  • Connection with complex fluids, soft matter and biological systems.

On the theme of micro- and nano-fluidics, the objects of study, physico-chemical (drops, capsules,...) and biological (vesicles, red blood cells,...), also include the intensified processes of encapsulation and vectorization by microreactor, themes in full expansion. The team is also developing tools for characterizing the organization at small scales such as the development of numerical simulations to account for the segregation obtained within granular media and the development of chemical methods to characterize the effects of micromixing (mixing at the molecular scale). In addition to this, we are involved in the characterization and thermodynamic modeling of complex media.

The numerical tools developed and implemented are varied: boundary integral, finite elements, immersed boundary method, Lattice Boltzman method... 

Team leader

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Annuaire personnel permanent

  • Chargé de Recherche CNRS - HDR
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  • Chargé de Recherche CNRS
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  • Maître de Conférences Centrale Méditerranée
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  • Professeur Centrale Méditerranée
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  • Professeur Centrale Méditerranée
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Doctorants, Post-Doctorants et CDD

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Publications de l'équipe

  • V Puthumana, Paul G. Chen, M Leonetti, R Lasserre, M Jaeger. Assessment of coupled bilayer-cytoskeleton modelling strategy for red blood cell dynamics in flow. Journal of Fluid Mechanics, 2024, 979, pp.A44. ⟨10.1017/jfm.2023.1092⟩. ⟨hal-04409136⟩ Plus de détails...
  • Gang Wang, Umberto d'Ortona, Pierrette Guichardon. Improved partially saturated method for the lattice Boltzmann pseudopotential multicomponent flows. Physical Review E , 2023, 107 (3), pp.035301. ⟨10.1103/PhysRevE.107.035301⟩. ⟨hal-04307425⟩ Plus de détails...
  • Jinming Lyu, Paul G. Chen, Alexander Farutin, Marc Jaeger, Chaouqi Misbah, et al.. Swirling of vesicles: Shapes and dynamics in Poiseuille flow as a model of RBC microcirculation. Physical Review Fluids, 2023, 8 (2), pp.L021602. ⟨10.1103/PhysRevFluids.8.L021602⟩. ⟨hal-03979358v2⟩ Plus de détails...
  • Jinming Lyu, Paul G. Chen, Alexander Farutin, Marc Jaeger, Chaouqi Misbah, et al.. Swirling of vesicles: Shapes and dynamics in Poiseuille flow as a model of RBC microcirculation. Physical Review Fluids, 2023, 8 (2), pp.L021602. ⟨10.1103/PhysRevFluids.8.L021602⟩. ⟨hal-03979358v1⟩ Plus de détails...
  • Revaz Chachanidze, Kaili Xie, Jinming Lyu, Marc Jaeger, Marc Leonetti. Breakups of Chitosan microcapsules in extensional flow. Journal of Colloid and Interface Science, 2023, 629, pp.445-454. ⟨10.1016/j.jcis.2022.08.169⟩. ⟨hal-03787637⟩ Plus de détails...
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Dernières rencontres scientifiques

Soutenances de thèses et HDR

28 novembre 2023 - Exploring Membrane Dynamics through Continuous Media Mechanical Modelling : Insights into Red Blood Cells and T Cell Activation / PhD Defense Varun Puthumana

Doctorant : Varun PUTHUMANA

Date : le mardi 28 novembre 2023 à 14h00 / Amphithéâtre du LMA

Abstract : The lipid bilayer forms the dynamic boundary of cells, while the cytoskeleton provides structural support which is connected to the bilayer through protein junction complexes. Classically, these two structures are often modelled as a single entity for computational simplicity, neglecting the fact that they slide in relation to each other. We develop a realistic representation that accurately depicts the bilayer-cytoskeleton structure which is validated using red blood cells (RBC), by carefully analysing its dynamics in flow. Moreover, as the study progresses, this will be extended to investigate the activation of T cells by the coordinated actions of the cytoskeleton and condensation of the T cell receptor (TCR). 
Through comprehensive computational assessments of various modelling strategies by analyzing RBC behaviour in different flow scenarios, including extensional and shear flows, we explore the efficacy of double-layer strategies, such as the vesicle-capsule and capsule-capsule models, in accounting for the fluidity and surface incompressibility of the lipid bilayer. The double-layer capsule-capsule model is then employed to examine the localized reorganization of the cytoskeleton within T cells which subsequently resorb microvilli and triggers cell activation through the condensation of TCRs. The developed T cell model faithfully replicates the behaviour of an entire T cell during its interaction with an antigen-presenting cell. Our work illuminates the significance of establishing a region with a spontaneous actin deficit to facilitate seamless contact with the T cell, thereby enabling TCR condensation within a specific zone. The dynamic interplay between actin depolymerization and TCR condensation emerges as a pivotal factor in the process of T cell activation. Our findings indicate that the cell's geometry and cytoskeleton depolymerisation together initiate condensation at the tip of microvilli. Additionally, our investigations delve into the role of surface tension in instigating the formation of condensates at the immune synapse.
Our findings also reveal relevant information about the membrane dynamics such that introducing sliding between the layers provides the cytoskeleton with a significant degree of freedom to relax its elastic stresses, resulting in a substantial increase in RBC elongation. Moreover, our research demonstrates that the choice of membrane modelling strategy for RBCs has a more profound impact on their behaviour than the selection of the cytoskeleton's reference shape. These results underscore the importance of not solely considering mechanical properties but also emphasize the necessity of integrating these properties thoughtfully in computational models. Interestingly, our study uncovers a novel indicator for determining the appropriate stress-free shape of the RBC cytoskeleton, contributing to a deeper understanding of its biomechanics and offering valuable insights for future modelling efforts in the field.


Chaouqi MISBAH, LIPhy, Université Grenoble Alpes, Rapporteur 

Simon MENDEZ, IMAG, Université de Montpellier, Rapporteur 

Nicolas DESTAINVILLE, LPT, Université Toulouse III-Paul Sabatier, Examinateur 

Kheya SENGUPTA, CINaM, Aix-Marseille Université, Présidente 

Rémi LASSERRE, CIML, Aix-Marseille Université, CoDirection de thèse 

Marc JAEGER, M2P2, Aix-Marseille Université, Direction de thèse

16 octobre 2023 - Simulation numérique d'émulsions microfluidiques à l'aide du Méthode Boltzmann sur réseau / Soutenance de thèse Gang Wang

Doctorant : Gang WANG

Date :  le lundi 16 octobre 2023 à 14h30 / Amphithéâtre 2 Centrale Méditerranée

Résumé : L'émulsification microfluidique est devenue une méthode populaire pour générer des gouttelettes de tailles et de distributions contrôlées. Cependant, en raison des limitations expérimentales, des outils numériques sont généralement utilisés pour fournir une compréhension approfondie des mécanismes sous-jacents et des effets complexes des écoulements microfluidiques. Cette thèse se concentre sur trois problématiques majeures qui émergent dans la simulation des émulsions microfluidiques en utilisant le modèle multicomposant pseudopotentiel de Boltzmann sur réseau, et sur l'application de méthodes améliorées pour réaliser des simulations microfluidiques. Ces trois problématiques sont la condition de mouillage des parois courbes (puisque de nombreux dispositifs microfluidiques ont des géométries de canaux complexes), la coalescence des gouttelettes dans les émulsions très concentrées, et la condition de sortie permettant aux gouttelettes de quitter le domaine de calcul en douceur.  Actuellement, comme dans la plupart des travaux précédents, la méthode simple de rebond (bounce-back, BB), associée à une interaction d'adhésion fluide-solide, est utilisée pour simuler les angles de contact. Cette méthode est précise pour une paroi droite. Cependant, lorsqu'il s'agit de parois courbes ou complexes, elle n'est pas assez précise car la paroi BB est seulement une approximation en escalier. Nous proposons donc d'étendre la méthode partiellement saturée (partially saturated method, PSM), une méthode précise du second ordre pour les conditions de paroi courbe conçue pour les écoulements monophasiques, aux écoulements multicomposants. La méthode proposée conserve exactement la masse et surpasse la méthode BB en termes de modélisation de l'angle de contact statique et de la fluidité du mouvement d'une gouttelette mouillant des parois courbes.  L'objectif principal de l'émulsion microfluidique est de produire rapidement des micro-gouttelettes de la taille souhaitée, ce qui conduit à des cristaux fluides mous, où les gouttelettes sont fortement concentrées et en contact étroit les unes avec les autres. Expérimentalement, l'ajout d'un agent tensioactif est nécessaire pour éviter que ces gouttelettes très serrées ne fusionnent. Numériquement, les gouttelettes en contact coalescent naturellement lorsque le modèle de pseudopotentiel original est appliqué en raison de l'absence de force répulsive aux interfaces de gouttelette en contact. Nous proposons une méthode simple pour introduire une répulsion aux interface de contact, le but étant d'imiter l'effet des agents tensionactifs. Nous constatons que cette méthode proposée est capable de modéliser des suspensions stables et fluides hautement concentrées, et de reproduire les cristaux fluides mous obtenus dans les expériences.  Dans les simulations microfluidiques, les microcanaux sont généralement tronqués pour des longueurs réduites, ce qui pose un problème aux sorties car les gouttelettes et les phases continues sortent simultanement. Pour permettre aux gouttelettes de quitter le domaine de simulation en douceur, nous appliquons une condition de limite de vitesse améliorée (velocity boundary condition, VBC), basée sur la méthode BB pour une paroi mobile, à la sortie. De plus, deux couches de nœuds fantômes sont mises à jour pour calculer les interactions de pseudopotentiel à la sortie. Avec cette méthode, les gouttelettes peuvent quitter les microcanaux en douceur sans distorsions significatives. À l'aide de ces méthodes améliorées, des simulations d'émulsions microfluidiques dans des canaux de focalisation de flux ont été réalisées, fournissant des aperçus précieux du comportement des gouttelettes dans de tels systèmes.


Joelle AUBIN (Université de Toulouse), Rapporteure

Florian DE VUYST (Université de Technologie de Compiègne), Rapporteur

Harry VAN DEN AKKER (Université de Limerick), Examinateur

Agnès MONTILLET (Université de Nantes), Président du jury

Pierrette GUICHARDON (Centrale Méditerranée), Directrice de thèse

Umberto D'ORTONA (Université d'Aix-Marseille), Co-Directeur de thèse

Jiupeng DU (Centrale Méditerranée), Invité