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Research

2 thematic axes, 6 research teams, 2 sites

The originality of M2P2 lies in its research themes in the fields of Computational Fluid Mechanics and Chemical Engineering. Research in mechanics and modeling is associated with a strong methodological development around calculation codes for the simulation of natural and industrial flows. In the field of process engineering, the research concerns the development of innovative processes as well as the study of the problems involved in these processes within the framework of a strong contractual activity.
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6 research teams, 2 sites

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Publications

  • 2023
    Revaz Chachanidze, Kaili Xie, Jinming Lyu, Marc Jaeger, Marc Leonetti. Breakups of Chitosan microcapsules in extensional flow. Journal of Colloid and Interface Science, Elsevier, 2023, 629, pp.445-454. ⟨10.1016/j.jcis.2022.08.169⟩. ⟨hal-03787637⟩ Plus de détails...

    Breakups of Chitosan microcapsules in extensional flow

    The controlled rupture of a core-shell capsule and the timely release of encapsulated materials are essential steps of the efficient design of such carriers. The mechanical and physico-chemical properties of their shells (or membranes) mainly govern the evolution of such systems under stress and notably the link between the dynamics of rupture and the mechanical properties. This issue is addressed considering weakly cohesive shells made by the interfacial complexation of Chitosan and PFacid in a planar extensional flow. Three regimes are observed, thanks to the two observational planes. Whatever the time of reaction in membrane assembly, there is no rupture in deformation as long as the hydrodynamic stress is below a critical value. At low times of complexation (weak shear elastic modulus), the rupture is reminiscent of the breakup of droplets: a dumbell or a waist. Fluorescent labelling of the membrane shows that this process is governed by continuous thinning of the membrane up to the destabilization. It is likely that the membrane shows a transition from a solid to liquid state. At longer times of complexation, the rupture has a feature of solid-like breakup (breakage) with a discontinuity of the membrane. The maximal internal constraint determined numerically marks the initial location of breakup as shown. The pattern becomes more complex as the elongation rate increases with several points of rupture. A phase diagram in the space parameters of the shear elastic modulus and the hydrodynamic stress is established.
    Revaz Chachanidze, Kaili Xie, Jinming Lyu, Marc Jaeger, Marc Leonetti. Breakups of Chitosan microcapsules in extensional flow. Journal of Colloid and Interface Science, Elsevier, 2023, 629, pp.445-454. ⟨10.1016/j.jcis.2022.08.169⟩. ⟨hal-03787637⟩
    Journal: Journal of Colloid and Interface Science
    Date de publication: 01-01-2023
    Auteurs:
    Liste des documents:
    Digital object identifier (doi): http://dx.doi.org/10.1016/j.jcis.2022.08.169
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  • 2022
    Dao Le, Amélie Frison, Yasmine Masmoudi, Abir Bouledjouidja, Pierre Thureau, et al.. Supercritical CO 2 impregnation process applied to polymer samples preparation for dynamic nuclear polarization solid‐state NMR. Magnetic Resonance in Chemistry, Wiley, 2022, ⟨10.1002/mrc.5307⟩. ⟨hal-03777975⟩ Plus de détails...

    Supercritical CO 2 impregnation process applied to polymer samples preparation for dynamic nuclear polarization solid‐state NMR

    Dao Le, Amélie Frison, Yasmine Masmoudi, Abir Bouledjouidja, Pierre Thureau, et al.. Supercritical CO 2 impregnation process applied to polymer samples preparation for dynamic nuclear polarization solid‐state NMR. Magnetic Resonance in Chemistry, Wiley, 2022, ⟨10.1002/mrc.5307⟩. ⟨hal-03777975⟩
    Journal: Magnetic Resonance in Chemistry
    Date de publication: 30-06-2022
    Auteurs:
    Digital object identifier (doi): http://dx.doi.org/10.1002/mrc.5307
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  • 2022
    Mostafa Taha, Song Zhao, Aymeric Lamorlette, Jean-Louis Consalvi, Pierre Boivin. Lattice-Boltzmann modeling of buoyancy-driven turbulent flows. Physics of Fluids, American Institute of Physics, 2022, ⟨10.1063/5.0088409⟩. ⟨hal-03661928⟩ Plus de détails...

    Lattice-Boltzmann modeling of buoyancy-driven turbulent flows

    The pressure-based hybrid lattice-Boltzmann method presented by Farag & al (Phys. Fluids 2020) is assessed for the simulation of buoyancy driven flows. The model is first validated on Rayleigh-Benard and Rayleigh-Taylor two-dimensional cases. A large-eddy simulation of a turbulent forced plume is then carried out, and results are validated against experiments. A good overall agreement is obtained, both for mean and fluctuations quantities, as well as global entertainment. The self-similarity character of the plume in the far-field is also recovered.
    Mostafa Taha, Song Zhao, Aymeric Lamorlette, Jean-Louis Consalvi, Pierre Boivin. Lattice-Boltzmann modeling of buoyancy-driven turbulent flows. Physics of Fluids, American Institute of Physics, 2022, ⟨10.1063/5.0088409⟩. ⟨hal-03661928⟩
    Journal: Physics of Fluids
    Date de publication: 06-05-2022
    Auteurs:
    Liste des documents:
    Digital object identifier (doi): http://dx.doi.org/10.1063/5.0088409
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  • 2022
    Shang-Gui Cai, Abdellatif Ouahsine, Yannick Hoarau. Moving immersed boundary method for fluid–solid interaction. Physics of Fluids, American Institute of Physics, 2022, 34 (5), pp.053307. ⟨10.1063/5.0088302⟩. ⟨hal-03695023⟩ Plus de détails...

    Moving immersed boundary method for fluid–solid interaction

    A strongly coupled algorithm is presented for the incompressible fluid–rigid body interaction using the moving immersed boundary method. The pressure and the boundary force are treated as Lagrange multipliers to enforce the incompressibility and no-slip wall constraints. To compute the two unknowns from the velocity field, we adopt the fractional step algorithm and successively apply the two constraints. A Poisson equation and a moving force equation are derived for the pressure and the boundary force, respectively. As both coefficient matrices are formulated to be symmetric and positive-definite, the resulting linear systems are solved efficiently with the conjugate gradient solver. The strongly coupled nonlinear fluid–solid system is achieved by a fixed-point iteration. To improve the computational efficiency, we only iterate the moving force equation with the rigid body motion equation, and the time-consuming pressure Poisson equation is solved once the sub-iteration is finished. The proposed method is validated with various benchmark tests, and the results compare well with the literature.
    Shang-Gui Cai, Abdellatif Ouahsine, Yannick Hoarau. Moving immersed boundary method for fluid–solid interaction. Physics of Fluids, American Institute of Physics, 2022, 34 (5), pp.053307. ⟨10.1063/5.0088302⟩. ⟨hal-03695023⟩
    Journal: Physics of Fluids
    Date de publication: 01-05-2022
    Auteurs:
    Digital object identifier (doi): http://dx.doi.org/10.1063/5.0088302
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  • 2022
    M. Nguyen, J. Boussuge, P. Sagaut, J. Larroya-Huguet. Large eddy simulation of a thermal impinging jet using the lattice Boltzmann method. Physics of Fluids, American Institute of Physics, 2022, 34 (5), pp.055115. ⟨10.1063/5.0088410⟩. ⟨hal-03669901⟩ Plus de détails...

    Large eddy simulation of a thermal impinging jet using the lattice Boltzmann method

    A compressible Hybrid Lattice Boltzmann Method solver is used to perform a wall-resolved Large eddy simulation of an isothermal axisymmetric jet issuing from a pipe and impinging on a heated flat plate at a Reynolds number of 23 000, a Mach number of 0.1, and an impingement distance of two jet diameters. The jet flow field statistics, Nusselt number profile (including the secondary peak), and shear stress profile were well reproduced. The azimuthal coherence of the primary vortical structures was relatively low, leading to no discernible temporal periodicity of the azimuthally averaged Nusselt number at the location of the secondary peak. While local unsteady near-wall flow separation was observed in the wall jet, this flow separation did not exhibit azimuthal coherence and was not found to be the only cause of the thermal spots blue, which lead to the secondary peak in the Nusselt number, as stream-wise oriented structures also played a significant role in increasing the local heat transfer.
    M. Nguyen, J. Boussuge, P. Sagaut, J. Larroya-Huguet. Large eddy simulation of a thermal impinging jet using the lattice Boltzmann method. Physics of Fluids, American Institute of Physics, 2022, 34 (5), pp.055115. ⟨10.1063/5.0088410⟩. ⟨hal-03669901⟩
    Journal: Physics of Fluids
    Date de publication: 01-05-2022
    Auteurs:
    Liste des documents:
    Digital object identifier (doi): http://dx.doi.org/10.1063/5.0088410
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Actualités scientifiques

Actualités
7 novembre 2022 - Novel and efficient algorithms for the numerical simulation ofimmersed moving and deforming structures in realistic industrial conditions in aeronautics using lattice Boltzmann method / PhD defense Heesik YOO
Doctorant : Heesik YOO

Date : Monday 7 Novembre 2022 à 14:00 

Abstract : Rotating geometries are crucial configurations in industry, encountered in rotors, propellers and turbofans and the most classical method to simulate them in general computational fluid dynamics (CFD) is the overset mesh (so called, Chimera mesh), which uses two different meshes simultaneously. However the numerical complexity of this scheme makes their implementation challenging in CFD, not to mention in lattice Boltzmann method (LBM). LBM has been attracting several industrial sectors over the last decades, including aeronautical transport, energy and health, and still remains a very active research topic in CFD. While chronic drawbacks of the LBM have been being overcome recently by the community, such as the instability issues at high Reynolds and high Mach numbers, one of the major remaining challenges is to simulate with a high level of reliability rotating geometries undergoing these challenging industrial conditions. In this thesis, we provide a detailed study of the application of rotating overset grids in LBM at high Reynolds and high Mach numbers flows. To do so, since there exist both fixed and rotating meshes at the same time, an efficient interpolation procedure is used to perform the instantaneous communication between fixed and rotating meshes, and appropriate fictitious forces are applied in the rotating region to account for the non-inertial reference axis. Also, flow physics are described by hybrid recursive regularized LBM model (HRR), which is chosen to stabilize flow from high Reynolds, high Mach flow and the numerical defects of overset grids. Particularly, for compressible flow, temperature is transported by the entropy equation which solved by the MUSCL-Hancock scheme. The numerical framework is thoroughly analyzed by separating all numerical ingredients and by studying the different numerical error sources originated from the algorithm. It is validated on different test cases, from academic ones to challenging industrial ones. The results point out good accuracy and robustness of the numerical method compared to conventional finite volume Navier-Stokes solvers and experiments. According to the best of the author's knowledge, this work presents the first thorough validation and error analysis of the lattice Boltzmann method for simulating moving geometries in high Mach compressible flows, including any type of movement such as oscillation, translation and rotation, etc. 

Jury :
Directeur de these  M. Julien FAVIER  Aix Marseille Université
Rapporteur  M. Mathias KRAUSE  Karlsruhe Institute of Technology (KIT)
Rapporteur  M. Emmanuel LéVêQUE  LMFA Ecole Centrale Lyon
Président  Mme Berengere PODVIN  EM2C Centrale Superlec
Examinateur  M. Martin GEIER  TU-Braunschweig
CoDirecteur de these  M. Pierre SAGAUT  Aix Marseille Université
17 octobre 2022 - Optimization of bronchial decongestion by pressure wave thanks to CFD / PhD defense Antoine GALKO
Doctorant : Antoine GALKO

Date : Lundi 17 Octobre 2022 à 14:00 ; amphi 3, Centrale Marseille

Abstract : Lung diseases are affecting more and more people worldwide. The most common diseases are COPD, asthma and mucovisidosis. Patients suffering from these diseases often have dysfunctions in mucociliary clearance. Mucociliary clearance normally removes contaminated mucus from the bronchial tree. When there is a dysfunction, the mucus increases in quantity and usually becomes very viscous and sticky, making it difficult to clear. This increases the risk of lung infection. To limit and facilitate the life of the patients, devices of assistance to the bronchial désencombrement are developed like the SIMEOX® developed by the compagny Physio-Assist. This device uses periodic depressions to liquefy mucus in order to facilitate its expectoration. It is in this context that this thesis is conducted. To understand the impact of this type of device on bronchial clearance and more particularly on the rheology of mucus, a numerical study, using a lattice-Boltzmann method coupled with immersed boundaries, is carried out. The impact of a pressure forcing on a non-Newtonian fluid of the Herschel-Bulkley type is then studied. First, we consider a non-Newtonian fluid, modelled by a Herchel-Bulkley law, transported by a pressure forcing in a 2D channel with fixed walls. We observe that the rheology of the mucus and the type of signal govern a rich physics that conditions the transport of the fluid. In a second step, we analyse the same forcing and fluid conditions, but in a channel whose walls are mobile and can move according to the internal depressions of the channel as a function of a parameter qualifying the ease of wall movement. It is shown that the flow conditions as well as the transported fluid flow rate are strongly influenced by the wall flexibility parameters. 

Jury :
Directeur de these  M. Julien FAVIER  Aix Marseille Université / M2P2
Rapporteur  M. Benoit HAUT  Université libre de Bruxelles
Rapporteur  M. Benjamin MAUROY  Laboratoire J.A. Dieudonné, Université de Nice Sophia-Antipolis
Examinateur  Mme Annie VIALLAT  Aix Marseille Université / CINAM
Examinateur  M. Simon MENDEZ  Université de Montpellier / IMAG
CoDirecteur de these  M. Umberto D'ORTONA  Aix Marseille Université / M2P2
5 octobre 2022 - Improvement of heat and mass transfer predictions at solid walls in Lattice Boltzmann simulations of thermal flows / PhD defense GUANXIONG WANG
Doctorant :  Guanxiong WANG 

Date : Mercredi 5 Octobre 2022 à 14:00 / Amphi 3, Centrale Marseille

Abstract : This work is a part of the project ALBUMS (Advanced Lattice-Boltzmann Understandings for Multi-physics Simulations) which aims at promoting the Lattice Boltzmann method (LBM) to full scale realistic industrial applications. Originally designed as a weakly compressible solver, many attempts have been made during the last three decades to remove the scientific locks of major importance for the use of LBM.However, the solid wall modeling with the presence of turbulent boundary layer and the prediction of heat dominated flow still challenge its applications especially at high Reynolds number with large temperature differences. The purpose of this manuscript is to improve the LBM's robustness, accuracy and efficiency in the solid wall modeling as well as to extend its ability on predicting heat transfers in the limit of low-Mach number which constitute two main axes of this thesis. The solid wall modeling and mass leakage issues are firstly investigated.The cut-cell immersed boundary (IBM) method based on regularized boundary condition is adopted because of its outstanding advantages such as robust, easy to implement, suited to deal with complex geometries etc. All of these properties are required in engineering configurations.This boundary condition is evaluated using a classical weakly compressible LB method in an isothermal regime while the pressure-based LB method is employed to address thermal regimes. It's observed that significant mass leakage may occur at solid walls which degrades the accuracy of the solutions and the reliability of the simulations.In order to circumvent this problem, a spatial-temporal relaxation mass correction scheme is adopted for the simulation of isothermal turbulent flows. For non-isothermal flows however, there may still be significant mass leakage, and the redefined zero-order moments of the distribution function of pressure-based LB method complicates the analysis of the mass leakage issue. To solve this, a mass correction scheme is then proposed based on the compressible LB method and applied to the classical natural convection scenario.Furthermore, an advanced near wall modeling via a blending RANS/LES approach is proposed in the framework of LBM to simulate high Reynolds number turbulent flows. Regarding the prediction of heat dominated flows, which was one of the main task of this work, the pressure-based LB method suffers from the time restriction issue for low-Mach thermal flows which makes the simulations inefficient.For this reason, a new hybrid thermal LB solver based on the well-known low-Mach number approximation (LMNA) is proposed and validated on various thermal flow configurations. At least a 10 times speed-up is achieved while keeping high accuracy compared to the reference according to this study. 

Jury :
Rapporteur  M. Frédéric KUZNIK  INSA LYON / CETHIL
Rapporteur  M. Adrien TOUTANT  Université de Perpignan / PROMES
Examinateur  M. Nicolas GOURDAIN  Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées / ISAE-Supaero
Examinateur  Mme Virginie DARU  ENSAM Paris
Directeur de these  M. Eric SERRE  AMU / CNRS M2P2
CoDirecteur de these  M. Pierre SAGAUT  AMU / CNRS M2P2
22 Juin 2022 - Simulation numérique d'interaction fluide structure : application à la propulsion / Soutenance de thèse de Jérémie LABASSE
Doctorant : Jérémie LABASSE

Date : 22 juin 2022 à 14h00,   Centrale Marseille 38 Rue Frédéric Joliot Curie ; 13013 Marseille ; Amphi 3 

Résumé : Dans le contexte de la modélisation de la propulsion bio-inspirée, le tangage et le pilonnement sont souvent considérés comme des archétypes des mouvements observés et un des objectifs des recherches dans ce domaine est d'établir des lois de propulsion, ce travail de thèse s'insérant dans cette thématique. Dans cet objectif, tout d'abord une plaque d'épaisseur négligeable en mouvement de tangage dans un écoulement uniforme est considérée. Ce système fluide-structure est abordé numériquement utilisant l'environnement numérique OpenFOAM. Cette boîte à outils permet de gérer le mouvement de la plaque, le déplacement du maillage associé étant obtenu comme solution d'une équation de Laplace avec une variable de diffusivité. Les résultats des simulations numériques et notamment les efforts générés par l'interaction fluide-structure sont validés par comparaison avec des données existantes, pour un nombre de Reynolds de 2000 et en faisant varier les paramètres du tangage. Une loi de propulsion est proposée et confrontée à des lois existantes dans la littérature. Dans un deuxième temps un objet profilé (un profil NACA0018) en mouvement de pilonnement simple puis en mouvement couplé tangage-pilonnement est étudié. Pour ces mouvements à grandes amplitudes une superposition de maillage est utilisée lors de la résolution numérique, cette approche étant connue sous le nom de la méthode Chimera. À partir des données des simulations, pour un nombre de Reynolds de 5 10^4 et pour une grande gamme de paramètres, des lois de propulsions sont proposées pour le pilonnement simple ainsi que pour le couplage tangage-pilonnement. Enfin un dispositif de propulsion cycloïdale développé par l'Institut de Recherche de l'Ecole Navale (IRENav) consistant en trois pales en mouvement de rotation-tangage est abordé numériquement, pour des gammes de paramètres identiques aux expériences, mettant en oeuvre la méthode de superposition de maillage pour les trois objets en mouvement. Les simulations des efforts générés dans cette configuration s'avèrent très proches des données expérimentales obtenues à l'IRENav. Aussi, il est montré que la loi proposée pour des mouvements de tangage-pilonnement reste pertinente pour prédire les efforts développés par le dispositif. 

Jury :
Directeur de these M. Uwe EHRENSTEIN Aix Marseille Université / M2P2
Rapporteur Mme Annie-Claude BAYEUL-LAINÉ Arts et Métiers / LMFL
Rapporteur M. Sylvain GUILLOU Université de Caen Normandie
Examinateur Mme Annie LEROY Ecole de l'Air et de l'Espace
Président M. Jacques-André ASTOLFI École Navale Brest
14 Juin 2022 - Développement et optimisation de deux procédés supercritiques d'élaboration de nanoliposomes pour l'encapsulation de siARN / Soutenance de thèse de Mathieu MARTINO
Doctorant : Mathieu MARTINO

Date : mardi 14 juin 2022 à 14h00,  Technopôle de l'Arbois, Avenue Louis Philibert ; Amphithéâtre du Cerege 

Résumé : L'un des principaux objectifs en thérapie est de trouver un excipient permettant une protection des molécules thérapeutiques lors de leurs administrations. L'ensemble de ces enjeux ont conduit à l'émergence de nouvelles techniques d'élaboration de système de délivrance de médicaments limitant l'utilisation de solvants organiques. Ainsi, plusieurs procédés utilisant des fluides supercritiques ont été développés. La formulation de médicaments à l'aide de procédé utilisant des fluides supercritiques, notamment le dioxyde de carbone supercritique (CO2-SC), présente plusieurs avantages, comme la réduction de la quantité de solvant organique nécessaire.En parallèle, de nombreuses études ont été réalisées sur l'utilisation des liposomes comme vecteurs d'encapsulation. Les liposomes sont des vésicules biodégradables composées de phospholipides, avec des structures proches des membranes cellulaires avec lesquelles ils peuvent fusionner pour délivrer le médicament encapsulé. Cette fusion liposome/cellule permet l'administration de médicaments. Par conséquent, les liposomes se comportent comme des agents protecteurs pour les substances actives pharmaceutiques encapsulées une fois administrées empêchant la dégradation enzymatique et l'élimination du médicament par le système immunitaire. Néanmoins, une limitation pour leur utilisation comme vecteurs de médicaments pour la thérapie génique est leur taille. En effet, la taille des particules est une caractéristique clé pour l'internalisation cellulaire d'une vésicule/particule. Une particule d'une taille allant jusqu'à 5 microns peut subir une internalisation cellulaire, mais le processus est plus rapide pour les particules d'une taille inférieure à 150 nm. Il y a donc un réel intérêt à former des liposomes ou nanoliposomes de taille submicronique afin d'améliorer l'internalisation cellulaire et limiter la dégradation. Dans ce contexte, plusieurs études ont été menées sur l'encapsulation de médicaments dans des liposomes et sur l'utilisation de procédés supercritiques. Par conséquent, les avantages combinés de l'encapsulation par liposomes et des procédés à fluide supercritique ont permis le développement de petites vésicules biomimétiques et biodégradables pour l'encapsulation de médicaments en utilisant un procédé écologique. L'objectif de ces travaux de thèse est de mettre au point deux procédés d’élaboration de nanoliposome en milieu supercritique en vue de l'encapsulation de siARN pour le traitement de la progéria. Le premier procédé développé est un procédé batch avec dépressurisation à pression constante. Ce procédé permet de former des liposomes avec des diamètres inférieur à 150 nm. L'efficacité d'encapsulation des liposomes formés à partir du procédé batch à été évaluée avec une molécule test : la lutéine. Des efficacités d’encapsulation allant jusqu'à 91,9 % ont été observées. Le second procédé développé est un procédé milli-fluidique en continu. Ce procédé présente l'avantage d'avoir une taille plus compacte et de formuler de faible quantité de suspensions liposomales (nécessaire pour l'élaboration de formulation liposome/ARN). Tout comme le procédé batch, ce procédé milli-fluidique permet d'élaborer des liposomes de taille inférieur à 150 nm. Un étude d'optimisation sur les conditions opératoires a été menées sur les deux procédés afin d’évaluer l'influence de la pression, de la température et de la concentration en phospholipides dans la solution d'alimentation sur les propriétés des liposomes formés. Cette étude montre que le paramètre clé pour le contrôle des propriétés des liposomes est la concentration en phospholipides. Enfin, des formulations liposomes/siARN ont été élaborées avec le procédé milli-fluidique. Les siARN encapsulés sont des ARN utilisés dans le traitement de la progéria. Des essais en cultures cellulaires ont montré une diminution de la lamine (but recherché) lors de l'utilisation des suspensions liposomales formés par le procédé milli-fluidique développé. 

Jury
CoDirecteur de these  Mme Elisabeth BADENS  Aix Marseille Université
CoDirecteur de these  M. Adil MOUAHID  Aix Marseille Université
Rapporteur  Mme Raphaëlle SAVOIRE  IPB / ENSCBP CBMN UMR5248 (CNRS/IPB/Université de Bordeaux) Equipe Clip’in
Rapporteur  Mme Nora VENTOSA  Institut de ciencia de materials de barcelona ICMAB CSIC- NANOMOL-CIBER-BBN
Examinateur  M. Joseph CICCOLINI  COMPO: COMputational Pharmacology in Oncology SMARTc : Simulation & Modelling: Adaptive Response for Therapeutics in Cancer Center for Research on Cancer of Marseille (CRCM): UMR Inserm 1068, CNRS UMR 7258, Aix Marseille Université U105, Institut Paoli Calmettes Inria Centre de Recherche Sophia Méditerranée & APHM Laboratoire de Pharmacocinétique, Faculté de Pharmacie,
Examinateur  Mme Géraldine PIEL  Laboratoire de Technologie Pharmaceutique & Biopharmacie (LTPB) Centre Interdisciplinaire de Recherche sur le Médicament (CIRM) Université de Liège
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