Cette thèse s’inscrit dans le contexte du développement des laboratoires sur puce (LOC, « Lab On a Chip », permettant de réaliser plusieurs opérations nécessaires à l’analyse d’un échantillon biologique à l'intérieur d'un seul microsystème. Dans ce type de dispositif, de nombreuses étapes sont nécessaires avant d’arriver au résultat d’une analyse donnée (introduction de l'échantillon, concentration, mélange, purification, séparation, etc.). L’équipe microsystèmes du laboratoire Ampère étudie depuis plusieurs années différentes techniques de manipulation sans contact de particules, pour le tri ou de manipulation de particules individuelles dans les laboratoires sur puce, telles que la diélectrophorèse ou la magnétophorèse. Dans cette thèse, nous nous intéressons à la manipulation acoustique de micro particules. Cette technique se révèle notamment avantageuse pour la manipulation d’objets biologiques comme des bactéries, car elle permet de s’affranchir de certaines contraintes de marquage ou de changement de milieu. Notre choix s’est porté sur l’emploi des ondes acoustiques de surface (SAW, « Surface Acoustic Waves »), compatibles avec la filière PDMS très utilisée dans la communauté des LOC. Outre la possibilité de simplifier l’intégration microfluidique de la pince acoustique, la technologie SAW offre une alternative aux dispositifs à pièges acoustiques fixes existant dans la littérature en permettant un contrôle en temps réel des particules piégées. C’est ce que nous avons réalisé expérimentalement : en jouant sur le déphasage entre les signaux d’alimentation électriques des transducteurs électromécaniques, nous pouvons modifier la position des noeuds et des ventres de l’onde acoustique résultante. Ainsi, nous avons pu contrôler en temps réel la position d’une bille en latex de 3 μm ou encore d’un faisceau de bactéries E.coli. Par ailleurs, nous avons réalisé une simulation par éléments finis de la puce acoustofluidique dans son ensemble permettant une meilleure compréhension de tous les phénomènes en jeu et l’optimisation du transfert énergétique entre la source électrique et la particule manipulée. Cette simulation nous indique notamment que l’amplitude de l’onde acoustique stationnaire sur le substrat piézoélectrique varie environ d’un facteur deux en fonction du déphasage imposé entre les deux sources électriques. Cela impacte donc dans la même proportion la force acoustique résultante. Cette variation semble être validée par nos dernières expériences. / In lab-on-a-chip (LOC) technologies, many sample preparation steps are required before achieving a biological analysis on a single chip (sample introduction, concentration, mixing, purification, separation, etc.). The microsystem team of the Ampere Lab has studied for many years different contactless particle manipulation techniques, for sorting or manipulating bioparticles in LOC platforms, such as dielectrophoresis and magnetophoresis. In this thesis, we focus on acoustic manipulation of microparticles. This technique is advantageous for the manipulation of biological objects such as bacteria, because labelling and medium exchange can be avoided. We chose to work with surface acoustic waves (SAW), because this approach is consistent with the use of PDMS, widely used in microfluidics. Besides an easier microfluidic integration of the acoustic tweezers, the SAW technology provides an alternative to the existing devices with fixed acoustic traps, allowing a real time control of the trapped particles. This was experimentally achieved by playing on the phase shift between the two electrical signals driving the IDT, thereby modifying the position of nodes and antinodes of the resulting pressure wave. As a result, we could control in real time the position of a 3 μm latex bead or an E.coli bacteria alignment. We have also developed a finite-element model of the whole acoustofluidic chip allowing a better understanding of the physics and the optimization of the energy transfer between the electrical source and the trapped particle. Among different results, this model informs us that the magnitude of the acoustic radiation force varies by a factor of two with the phase shift between the electrical sources. This result seems to be validated by our last experiments.

Dans le domaine du diagnostic in vitro, l'étape d'extraction de micro-organismes à partir d'un échantillon complexe est une étape clé pour permettre l'identification du pathogène responsable d'une infection. Pour les septicémies, cette étape d'extraction est généralement précédée d'une étape de culture, ce qui conduit à une obtention des résultats au bout de plusieurs jours. Un résultat plus rapide (typiquement inférieur à 24h) permettrait d'augmenter le taux de survie des patients, et aurait ainsi une forte valeur ajoutée pour le corps médical. Le but de ces travaux est donc de développer une nouvelle méthode d'extraction et de concentration de pathogènes directement à partir d'un échantillon sanguin, sans étape de culture. Une stratégie en deux modules microfluidiques associés en série est proposée : elle repose sur la modification de la conductivité et de l'osmolarité de l'échantillon dans un premier module, puis sur la capture des micro-organismes par diélectrophorèse dans un second module. L'étude du premier module a permis de déterminer l'impact de la conductivité et de l'osmolarité du milieu sur les propriétés diélectriques des cellules. Deux voies ont ainsi été abordées, afin de diriger les cellules du sang et les micro-organismes vers un milieu de conductivité et d'osmolarité contrôlées : la dilution, et l'utilisation de forces acoustiques. L'étude du deuxième module a ensuite permis de démontrer la possibilité de capturer et concentrer des micro-organismes à partir d'un échantillon hypotonique et faiblement conducteur dans un écoulement microfluidique par diélectrophorèse. L'architecture d'un microsystème dédié a été définie grâce à un modèle numérique, puis validé expérimentalement avec des échantillons sanguins et différents micro-organismes (E. coli, S. epidermidis et C. albicans). La capture générique des micro-organismes est démontrée, et un taux de capture de 97% a été obtenu pour la séparation de \EC, avec une vitesse moyenne de l'échantillon dans le microsystème de 100 à 200 µm.s-1. Enfin, des perspectives d'amélioration sont présentées pour permettre d'effectuer cette étape de séparation sur un gros volume d'échantillon (1 à 10mL) en quelques heures, afin de répondre aux exigences imposées par l'urgence des tests de diagnostic des septicémies. / Extraction of pathogens from a biological sample is a key step for efficient diagnostic tests of infectious diseases. For bloodstream infections, current diagnostic methods are usually based on bacterial growth and take several days to provide valuable information. An accelerated result would have a high medical value to adjust therapeutic strategies. The aim of this study is to design a new approach for separation and concentration of microorganisms directly from a blood sample, to avoid time-consuming growth stages. We report a method based on two different microsystems connected in series: it combines modification of conductivity and osmolarity of the sample with generic capture of microorganisms by dielectrophoresis. First we explore the impact of conductivity and osmolarity on the dielectric properties of blood cells and microorganisms. Dilution and acoustic forces are both analyzed to transfer blood cells and microorganisms to the optimized buffer. Then we demonstrate the feasibility of achieving the dielectrophoretic separation of microorganisms from blood cells in a low conductivity and low osmolarity medium inside a fluidic device. The structure of the device is optimized with numerical simulations and experiments performed on blood samples and various microorganisms (E. coli, S. epidermidis and C. albicans).The generic capture of microorganisms is validated, and we achieved a separation of 97% efficiency with E. coli, with an optimal inlet velocity around 100-200 µm.s-1. Finally, we propose an improved microsystem to perform the sample preparation step on a larger volume (1-10mL) in a few hours, in order to fit the medical need.

Dans le domaine du diagnostic in vitro, l'étape d'extraction de micro-organismes à partir d'un échantillon complexe est une étape clé pour permettre l'identification du pathogène responsable d'une infection. Pour les septicémies, cette étape d'extraction est généralement précédée d'une étape de culture, ce qui conduit à une obtention des résultats au bout de plusieurs jours. Un résultat plus rapide (typiquement inférieur à 24h) permettrait d'augmenter le taux de survie des patients, et aurait ainsi une forte valeur ajoutée pour le corps médical. Le but de ces travaux est donc de développer une nouvelle méthode d'extraction et de concentration de pathogènes directement à partir d'un échantillon sanguin, sans étape de culture. Une stratégie en deux modules microfluidiques associés en série est proposée : elle repose sur la modification de la conductivité et de l'osmolarité de l'échantillon dans un premier module, puis sur la capture des micro-organismes par diélectrophorèse dans un second module. L'étude du premier module a permis de déterminer l'impact de la conductivité et de l'osmolarité du milieu sur les propriétés diélectriques des cellules. Deux voies ont ainsi été abordées, afin de diriger les cellules du sang et les micro-organismes vers un milieu de conductivité et d'osmolarité contrôlées : la dilution, et l'utilisation de forces acoustiques. L'étude du deuxième module a ensuite permis de démontrer la possibilité de capturer et concentrer des micro-organismes à partir d'un échantillon hypotonique et faiblement conducteur dans un écoulement microfluidique par diélectrophorèse. L'architecture d'un microsystème dédié a été définie grâce à un modèle numérique, puis validé expérimentalement avec des échantillons sanguins et différents micro-organismes (E. coli, S. epidermidis et C. albicans). La capture générique des micro-organismes est démontrée, et un taux de capture de 97% a été obtenu pour la séparation de \EC, avec une vitesse moyenne de l'échantillon dans le microsystème de 100 à 200 µm.s-1. Enfin, des perspectives d'amélioration sont présentées pour permettre d'effectuer cette étape de séparation sur un gros volume d'échantillon (1 à 10mL) en quelques heures, afin de répondre aux exigences imposées par l'urgence des tests de diagnostic des septicémies.