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The main objective of the research in this dissertation is to take advantage of unique materials, innovative designs, novel microfabrication techniques, and specialized characterization tools to develop a set of BioMEMS devices and systems further validated with electrical, interface, geometric, and multiphysics models to address unique biological problems emanating from ethical treatment of animals in drug discovery, biological translation, decentralization and personalization of healthcare. This set of devices is designed to interface with multi-sized biological constructs such as 3D cellular networks, viruses, and proteins. The first objective explored a 3D printing-based microfabrication technology to create 2.5D/3D microelectrodes to interface with cellular constructs such as tissues and organoids. Investigations were carried out on how surface roughness and printing parameters play a critical role in the electrical response of the system for in-vitro applications. Three different metallization strategies were investigated and modeled in order to define novel self-insulated 2.5 and 3D microelectrodes. The second objective centered around virus and microparticle detection using a novel combination of microfluidics and Wi-Fi optical detection. Microfluidics were created designing a multilayered system and processing various polymeric materials. The optical system was able to detect and wirelessly transmit information about the presence of viruses including COVID-19 Delta strain and microparticles in the 5 to 10 microns size. The last objective of the dissertation presented the microfabrication of a BioMEMS platform for electrophysiological characterization of Actin protein (smallest entity within the size spectrum). This platform combined interdigitated electrodes, PDMS soft lithography, and impedance and interface modeling to better understand Actin protein dynamics in bundles. This dissertation proposes innovative ideas to the current state of the art for emerging paradigms in the medical technology field involving rapid sensing and manipulating biological entities at various size scales: (proteins, DNA/RNA), (pathogens, virus), and (organoids, spheroids, assembloids).

La menace d'une attaque bactériologique massive et létale visant les armées ou les populations civiles ont obligé les institutions de recherche militaire à investir massivement dans la préparation à une telle éventualité. La réponse à donner à une attaque bactériologique est conditionnée par les capacités de perception et d'indentification de cette attaque. Ainsi, le besoin en solution de détection et de reconnaissance biologique fiables, peu chères, facilement manipulables est crucial. Nous abordons dans ces travaux de thèse le cas de biocapteurs basés sur des micromembranes résonantes en silicium, assemblées par des technologies de microfabrication classiques. Nous montrons tout d'abord les avantages comparés de ce type de capteur pour répondre à la problématique donnée. Puis, nous rapportons l'étude théorique permettant le dimensionnement des micromembranes en fonction d'objectifs initialement formulés en termes de sensibilité et de limite de détection. La mise en vibration des membranes est assurée par l'action d'une pastille piézoélectrique déposée sur sa surface, la détection du mouvement est effectuée par une jauge piézorésistive positionnée à l'encastrement de la membrane. Nous abordons par la suite, la fabrication du microsystème, son conditionnement ainsi que la fabrication de l'électronique de détection associée. Enfin la caractérisation électrique, mécano-électrique puis biologique des membranes nous permet de mettre en relief les principaux résultats obtenus par rapport à l'état de l'art. Le premier point réside dans la démonstration de la co-intégration physique des phénomènes piézoélectrique et piézorésistif au sein d'une même structure résonante. Est démontrée ensuite la capacité à suivre en temps réel la fréquence de résonance des membranes par détection piézorésistive, lorsque celles-ci sont immergées dans un milieu biologique aqueux. Pour terminer, les résultats biologiques quant à la détection d'agents simulant la menace biologique sont présentés

Ce travail de recherche porte sur le développement d'une plateforme microfluidique de type laboratoire sur puce pour la mesure du pouvoir infectieux d'agents pathogènes présents dans l'eau. La principale fonction étudiée dans ce manuscrit est la concentration de parasites en suspension dans un liquide. La manipulation des microparticules est basée sur l'emploi de forces électrocinétiques. Une analyse numérique en deux et trois dimensions apporte des informations qualitatives. Elle permet également d'extraire les valeurs géométriques clés des électrodes employées pour la concentration des microparticules. Ces premiers résultats théoriques sont confirmés expérimentalement à l'aide de deux dispositifs contenant une grande variété de concentrateurs. A partir des éléments théoriques et expérimentaux, nous concevons un concentrateur optimisé. Il est intégré dans un dispositif employant la technique de déplacement de goutte par électromouillage sur diélectrique (EWOD). Ce système est employé selon trois modes : concentrateur, extracteur et séparateur. Des oocystes de Cryptosporidium et des kystes de Giardia lambia sont utilisés pour la caractérisation du dispositif. Enfin, des résultats préliminaires de cultures cellulaires sur des surfaces fonctionnalisées à l'échelle de la centaine de micromètres permettent d'envisager le développement d'une plateforme microfluidique complète d'analyse du pouvoir infectieux d'agents pathogènes du genre Cryptosporidium.

The objective of this research is to introduce two state-of-the-art wireless biomedical systems: (1) a multiband transcutaneous communication system for implantable microelectronic devices (IMDs) and (2) a new wireless power delivery system, called the “EnerCage,” for experiments involving freely-behaving animals. The wireless multiband link for IMDs achieves power transmission via a pair of coils designed for maximum coupling efficiency. The data link is able to handle large communication bandwidth with minimum interference from the power-carrier thanks to its optimized geometry. Wireless data and power links have promising prospects for use in biomedical devices such as biosensors, neural recording, and neural stimulation devices. The EnerCage system includes a stationary unit with an array of coils for inductive power transmission and three-dimensional magnetic sensors for non-line-of-sight tracking of animal subjects. It aims to energize novel biological data-acquisition and stimulation instruments for long-term experiments, without interruption, on freely behaving small animal subjects in large experimental arenas. The EnerCage system has been tested in one-hour in vivo experiment for wireless power and data communication, and the results show the feasibility of this system. The contributions from this research work are summarized as follows: 1. Development of an inductive link model. 2. Development of an accurate PSC models, with parasitic effects for implantable devices. 3. Proposing the design procedure for the inductive link with optimal physical geometry to maximize the PTE. 4. Design of novel antenna and coil geometry for wireless multiband link: power carrier, forward data link, and back telemetry. 5. Development of a model of overlapping PSCs, which can create a homogenous magnetic in a large experimental area for wireless power transmission at a certain coupling distance. 6. Design and optimization for multi-coil link, which can provide optimal load matching for maximum PTE. 7. Design of the wireless power and data communication system for long-term animal experiments, without interruption, on freely behaving small animal subjects in any shape of experimental arenas.

La mesure et le contrôle du pouls et du flux sanguin en continu sont d'importants paramètres pour l'évaluation de signes essentiels physiologiques sur la condition de santé d'un individu. Les dispositifs commerciaux existants, ainsi que les méthodes de recherche ou utilisées dans le milieu médical exigent un bon contact électrique ou optique pour obtenir cette mesure en continu. Pendant ces travaux de recherche, une méthode originale non invasive de mesure du rythme cardiaque fondée sur la perturbation localisée d'un champ magnétique au passage du flux sanguin a été développée, permettant l'acquisition des signaux à travers les vêtements, la transpiration, les salissures ou autres polluants dans l'environnement proche du capteur. Cette méthode est appelée la Signature Sanguine par Modulation Magnétique (MMSB) et les mesures ont été accomplies sur de multiples individus. Le système a été modélisé mathématiquement et simulé dans un environnement multiphysique, puis validé par l'utilisation des données expérimentales. Les résultats de mesure, en utilisant la méthode MMSB, pour le pouls et le flux sanguin ont été comparés et se trouvent bien corrélés, avec les résultats obtenus grâce à d'autres instruments. De plus, deux dispositifs ont été développés et sont en cours de commercialisation, pour des applications de vie quotidienne

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