La perméabilisation cellulaire par l'intermédiaire de champs électriques est une des méthodes les plus sures pour le transfert de gènes et de molécules d'intérêt. La découverte des effets intra-cellulaires d'un nouveau type d'impulsions électriques - les nanopulses - a ouvert de nouvelles perspectives à l'application des impulsions électriques au vivant. La mise au point de nouveaux outils est indispensable avant de pouvoir appliquer ces techniques à l'homme. Aussi, notre but a été de mettre au point des systèmes d'exposition de cellules à ces impulsions et de montrer que de nouvelles applications thérapeutiques étaient possibles, en particulier en cancérologie. Une nouvelle méthode d'exposition de cellules ou de tissus basée sur l'utilisation d'électrodes isolées a été proposée permettant d'éviter tout risque de contamination ou brûlure électrochimique. A l'aide de cette nouvelle méthode, des expériences in vitro puis in vivo ont pu être menées et confirment la possibilité d'augmenter d'un facteur 3 à 6 la production de luciférase après un électrotransfert de ce gène. Enfin, l'exposition de tumeurs à ces impulsions en présence de bléomycine a permis d'obtenir des régressions tumorales complètes. Nous avons aussi conçu un biomicrosystème permettant d'étudier les effets de telles impulsions à l'échelle cellulaire sous microscope s'intégrant comme terminaison adaptée dans la chaîne d'exposition. L'ensemble des résultats présentés dans cette thèse montre qu'il est possible d'envisager l'utilisation de ces impulsions comme nouvel outil thérapeutique dans le traitement de cancers ou en thérapie génique.

Cette thèse traite de l'action des ondes acoustiques sur des bulles micrométriques excitées à leur fréquence de résonance. En effet, les bulles peuvent être considérées comme des oscillateurs mécaniques et les forces acoustiques à leur résonance, appelées forces de Bjerknes, ont des propriétés non triviales. De plus, les bulles interagissent entre elles par l'émission d'un champ secondaire, menant à leur auto-organisation sur un motif périodique. Ici, les bulles sont confinées dans des microcanaux, elles ne sont pas sphériques et frottent fortement sur les parois. L'étude expérimentale des forces acoustiques (primaire et secondaire) est alors précédée par la modélisation de l'écoulement des bulles, liant la friction sur les parois aux forces externes appliquées. Plusieurs applications aux laboratoires sur puce sont développées, dont le tri en taille, la division asymétrique contrôlée, l'aiguillage automatique à une bifurcation, et la manipulation de goutte.

La fusion cellulaire est une méthode de génération de cellules hybrides combinant les propriétés spécifiques des cellules mères. Initialement développée pour la production d'anticorps, elle est maintenant aussi investiguée pour l'immunothérapie du cancer. L'électrofusion consiste à produire ces hybrides en utilisant un champ électrique pulsé. Cette technique présente de meilleurs rendements que les fusions chimiques ou virales, sans introduire de contaminant. L'électrofusion est actuellement investiguée en cuve d'électroporation où le champ électrique n'est pas contrôlable avec précision et le placement cellulaire impossible, produisant de faibles rendements binucléaires. Afin d'augmenter le rendement et la qualité de fusion, la capture et l'appariement des cellules s'avèrent alors nécessaires.Notre objectif a été de développer et de réaliser des biopuces intégrant des microélectrodes et des canaux microfluidiques afin de positionner et d'apparier les cellules avant leur électrofusion. Une première structure de piégeage se basant sur des plots isolants et l'utilisation de la diélectrophorèse a été réalisée. Afin d'effectuer des expérimentations sous flux, une méthode de scellement des canaux, biocompatible et étanche a été développée. Puis, le milieu d'expérimentation a été adapté pour l'électrofusion. En confrontant les résultats des expériences biologiques aux simulations numériques, nous avons pu démontrer que l'application d'impulsions électriques induisait la diminution de la conductivité cytoplasmique. Nous avons ensuite validé la structure par l'électrofusion de cellules. Un rendement de 55% avec une durée de fusion membranaire de 6 s a été obtenu. Dans un second temps, nous avons proposé deux microstructures de piégeage pour l'électrofusion haute densité. La première se base sur un piégeage fluidique, alors que la seconde, utilise ladiélectrophorèse sans adressage électrique à l'aide de plots conducteurs. Jusqu'à 75% des cellules fusionnent dans cette dernière structure. Plus de 97% des hybridomes produits sont binucléaires. Le piégeage étant réversible, les hybridomes peuvent ensuite être collectés pour des études ultérieures.

Le développement et l'amélioration de l'instrumentation biomédicale se veulent une miniaturisation des équipements se trouvant dans les laboratoires médicaux standards. Cette miniaturisation est souhaitée pour une production à plus grande échelle, permettant ainsi d'avoir une réduction des coûts relatifs à la détection et à la prévention de maladies et aussi permettre une disponibilité accrue. La détection de la fluorescence est une technique couramment employée dans le domaine médical afin de pouvoir déterminer la présence de pathogènes. Les systèmes de détection de fluorescence requièrent une bonne gestion entre la lumière excitant les marqueurs fluorescents et la fluorescence dégagée de ces derniers. Ce projet de recherche propose le développement de briques technologiques servant dans un système hautement intégré de détection de fluorescence. La première brique technologique développée a été un filtre optique hybride combinant un filtre de type interférentiel et un filtre de type absorbant pour une épaisseur totale de 3 [micro]m. Le filtre interférentiel est composé d'une alternance de couches diélectriques TiO[indice inférieur 2/SiO[indice inférieur 2] pour un total de neuf couches offrant une atténuation de 16,6 dB pour une longueur d'onde d'excitation de 532 nm. Ces couches diélectriques sont déposées soit par évaporation par faisceaux d'électrons ou bien par pulvérisation cathodique, tous deux des procédés standards en microfabrication. Le filtre absorbant est quant à lui une photorésine colorée permettant son dépôt par étalement rotatif. L'atténuation à 532 nm pour le filtre absorbant est de l'ordre de 32,6 dB. La réjection totale pour le filtre hybride atteint 47 dB, une performance jamais publiée pour un filtre de cette épaisseur. En parallèle, le développement de la seconde brique technologique a été entamé et concerne la photodétection. L'élément de photodétection doit être sensible aux longueurs d'onde d'intérêts de la détection de la fluorescence. La photodiode à multiples jonctions p-n enterrées conçu avec un procédé microélectronique standard permet la discrimination spectrale. Cette discrimination spectrale est obtenue avec un traitement mathématique approprié et appliqué sur la mesure des photocourants. Une simulation de type semiconducteur est venue corroborer les résultats expérimentaux. Les mesures expérimentales ont été réalisées à l'aide d'une station de caractérisation sous pointes entièrement conçue et montée au cours du projet de doctorat. Une fois que les deux briques technologiques étaient rendues à un niveau de maturité, le développement de procédés de microfabrication a permis de réaliser une preuve de concept sur la cohabitation de ces technologies. Le développement de procédé a été réalisé en considérant une éventuelle intégration d'un canal microfluidique pour compléter le système intégré. Ce projet de recherche a permis de développer un nouveau type de filtre optique combinant deux technologies afin de profiter des avantages de chacune d'elle. Le projet de recherche a également permis la conception de deux circuits microélectroniques contenant des photodiodes innovantes servant à l'identification spectrale, champs d'application pour l'utilisation de multimarqueurs fluorescents. Le travail sur l'intégration de ces deux briques a permis d'entamer un transfert technologique vers un partenaire industriel oeuvrant dans le domaine de la microfabrication et des procédés microélectronique.

Les laboratoires sur puce sont des dispositifs miniaturisés qui offrent la possibilité d'intégrer en ligne toutes les étapes de la chaîne analytique tout en réduisant les volumes d’échantillon et les temps d’analyse. Ainsi, ils constituent potentiellement un outil de diagnostic particulièrement adapté pour l’analyse de biomarqueurs phosphorylés, pour lesquels une préconcentration est nécessaire en raison de leur faible abondance dans les fluides biologiques. C’est pourquoi, de nouvelles méthodes, dédiées à l'enrichissement de phosphopeptides, ont été développées ces dernières années et en particulier celles utilisant des supports solides basées sur la chromatographie d’affinité sur des ions métalliques immobilisés (IMAC). Parmi les supports solides intégrables en microsystème, les monolithes organiques constituent une option privilégiée grâce à la possibilité d’être synthétisés in situ. Le but de ce travail de thèse était donc de développer un laboratoire sur puce intégrant une préconcentration des phosphopeptides sur support monolithique basé sur le principe de l’IMAC et leur séparation électrophorétique en ligne.Dans un premier temps, nous avons développé deux approches innovantes qui ont permis de synthétiser pour la première fois un monolithe à base d’éthylène glycol méthacrylate phosphate (EGMP) et de bisacrylamide (BAA) par voie photochimique dans des microsystèmes. La première stratégie développée dans des puces en verre repose sur la synthèse du monolithe à l’aide d’un microscope à épifluorescence. La deuxième approche est basée sur les propriétés photochimiques d’un nouvel amorceur qui a permis de synthétiser et d’ancrer le monolithe, en une seule étape, aux parois des puces en polydiméthylsiloxane (PDMS). Une caractérisation de ce monolithe en termes de morphologie, de perméabilité, de porosité et de surface spécifique a ensuite été réalisée. Ceci a permis de démontrer le potentiel de ce monolithe pour la préconcentration.Dans un deuxième temps, une méthode de séparation par électrophorèse couplée à une détection par fluorescence a été développée sur puce en verre. Celle-ci a permis de séparer un mélange de phosphopeptides modèles fluorescents possédant différents sites et degrés de phosphorylation. Les phosphopeptides ont été détectés en moins de 2 min avec une excellente résolution (R>3) et une bonne efficacité (plateaux théoriques compris entre 11000 et 25000). Enfin, le couplage en ligne du module de préconcentration monolithique et de séparation/détection a été réalisé. Sur ce dispositif miniaturisé, une préconcentration basée sur l’IMAC-Zr4+ a ainsi été développée. L’efficacité de la capture et de l’élution des phosphopeptides a été démontrée et des facteurs de préconcentration supérieurs à 340 ont été obtenus. En conclusion, ce laboratoire sur puce ouvre des perspectives très prometteuses dans le domaine du diagnostic de pathologies dont le processus physiopathologique implique des phosphopeptides.Mots clés : laboratoire sur puce, microsystème, phosphopeptide, IMAC, monolithe, photopolymérisation, préconcentration, électrophorèse sur puce / A lab on-a-chip is a miniaturized device that integrates onto a single chip different analytical steps (preconcentration, separation, detection...) with minimal sample consumption and short analysis time. They are potentially beneficial in phosphorylated biomarker analysis for which a preconcentration step is necessary because of their low abundance in biological fluids. That's why selective enrichment methods of phosphopeptides have been developed in recent years in particular those based on solid supports like Immobilized Metal Affinity Chromatography (IMAC). Among the solid supports, organic polymer monoliths present practical advantages when used in microchips due to their ease of preparation and in situ polymerization. The aim of this work was to develop a lab-on-a-chip integrating a monolithic support for online IMAC-based preconcentration and electrophoretic separation of phosphopeptides.In the first part, we developed two innovative approaches which allowed us to synthesize, for the first time, an ethylene glycol methacrylate phosphate-co-bisacrylamide (poly (EGMP-co-BAA)) monolith by a photo-driven process in microsystems. The first monolith synthesis approach was developed in glass microchannels using an inverted epifluorescence microscope as UV-irradiation source. The second approach was based on the photochemical properties of a new initiator which allowed the simultaneous synthesis and anchorage of the monolith in native polydimethylsiloxane (PDMS) microchips. A characterization (morphology, permeability, porosity and specific surface area) of (poly (EGMP-co-BAA)) monolith was then performed which demonstrated the potential of this monolith for preconcentration.Then a glass microchip electrophoresis method coupled to a detection by fluorescence was developed to separate a mixture of phosphopeptides fluorescent models differing with the position and number of phosphorylation sites. The phosphopeptides were detected in less than 2 min with excellent resolution (R> 3) and good efficiencies ranging from 11000 to 25000 plates. Finally, an integrated microdevice was developed by combining online preconcentration based on IMAC-Zr4+ and separation/detection of phosphopeptides. The performance of this integrated microdevice to capture and to elute the phosphopeptides was demonstrated and signal enhancement factors (SEF) higher than 340 were obtained. This lab-on-a-chip device opens news perspectives for phosphoproteomic applications and the diagnostic of diseases where the pathophysiological process involves phosphopeptides

Les tests « in vitro » permettent d’établir près de 70% des diagnostics et leur développement pour une utilisation au plus près du patient apparaît donc comme un enjeu majeur de santé publique. Dans ce contexte, les critères ASSURED (« Affordable, Sensitive, Specific, User-friendly, Rapid and robust, Equipment-free and Deliverable to end-users ») a été défini par l’organisation mondiale de la santé pour que les chercheurs développent des outils de diagnostic dits « Point of Care » utilisables par le plus grand nombre. Avec l’essor de la microfluidique, la gamme des dispositifs possibles s'est élargie et des biocapteurs intégrés ont été développés, transformant le signal biologique d’une reconnaissance d’un biomarqueur par une sonde biologique en un signal optique, électrochimique, mécanique ou encore magnétique. Comme les milieux biologiques sont en grande majorité amagnétiques, les capteurs magnétiques ne sont pas affectés par l’utilisation de matrices biologiques complexes comme peuvent l’être les mesures optiques ou électrochimiques. De plus ces capteurs sont faciles à produire et intégrables dans les puces microfluidiques. Cette thèse a pour objectifs de concevoir un outil de diagnostic in vitro basé sur des capteurs à magnétorésistance géante et de tester ses performances. Cette étude a été réalisée en utilisant une lignée cellulaire de myélome murin. Les cellules sont marquées spécifiquement par des particules magnétiques fonctionnalisées par des anticorps dirigés contre un de leurs antigènes et sont passées dans le canal microfluidique au-dessus des capteurs. Cette méthode de détection dynamique permet de compter les objets magnétiques un par un. La difficulté réside dans la distinction des signaux spécifiques provenant des cellules marquées des signaux faux positifs induits par les billes restant en solution. Deux types de dispositifs ont été conçus dans cette thèse pour lever ce verrou. Le premier possède une couche inerte de séparation de quelques micromètres entre les capteurs GMR et le canal qui permet de supprimer les signaux des billes isolées. Le second dispositif, qui a des capteurs à la fois au-dessus et au-dessous du canal microfluidique, permet une double détection simultanée de chaque objet magnétique. Il est ainsi possible de connaître le nombre de billes qui les marquent et de déterminer s’il s’agit d’un agrégat de billes ou d’un objet biologique. / The « in vitro » tests are requested for the establishment of nearly 70% of diagnoses and their development for on-site detection therefore appears to be a major public health issue. In this context, the ASSURED criterion (« Affordable, Sensitive, Specific, User-friendly, User-friendly, Rapid and robust, Equipment-free and Deliverable to end-users ») has been defined by the World Health Organization to encourage researchers to develop diagnostic tools called « Point of Care » that can be widely used.With the rise of microfluidics, the range of possible devices has broadened and integrated biosensors have been developed, transforming the biological signal from a biomarker recognition by a biological probe into an optical, electrochemical, mechanical or magnetic signal. As biological environments are largely non-magnetic, magnetic sensors are not affected by the use of complex biological matrices as are optical or electrochemical measurements. In addition, these sensors are easy to produce and can be integrated into microfluidic chips. The objectives of this thesis are to design a diagnostic tool in vitro based on giant magnetoresistance sensors and to test its performance. Its development was carried out using a murine myeloma cell line. The cells are specifically labeled by magnetic particles functionalized by antibodies directed against one of their antigens and flown in the microfluidic channel above the sensors. This dynamic detection method allows magnetic objects to be counted one by one. The challenge is to distinguish the signals coming from the labeled cells from those of the beads remaining in solution. In order to address this problem, two labs on chips are developed in this thesis. In a first device, an inner layer of a few micrometers separates the sensors from the channel which allows to suppress the signals of the isolated beads. The second device has sensors both above and below the microfluidic channel and can measure the number of beads corresponding to each doubly detected object which can thus be identified (aggregates or biological objects).

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.

Cette thèse propose d'intégrer les principes de la micro-robotique dans un laboratoire sur puce afin d'améliorer les performances du tri cellulaire par diélectrophorèse. Contrôler la trajectoire des cellules dans une puce fluidique en temps réel nécessite de reconcevoir la puce, la modéliser et développer des lois de commande dédiées au contrôle en temps réel. Concernant la conception, cette thèse s’intéresse au compromis existant entre la vitesse de tri et les problématiques de suivi des cellules en temps réel. Une architecture originale basée sur deux plans d’électrodes, sur les faces supérieures et inférieures des canaux, est proposée. Des procédés de fabrication dédiés à cette architecture sont développés. En particulier, la fabrication d'électrodes transparentes et l'assemblage des deux réseaux d'électrodes parallèles sont étudiés. Concernant la modélisation, une formulation analytique du champ électrique découplant variables de commande, termes dépendant de la position de l’objet et termes dépendant uniquement de la géométrie de la puce est proposée afin de calculer rapidement et précisément la force de diélectrophorèse. Une analyse de l'anisotropie des forces de frottement présentes à proximité des électrodes vient compléter la modélisation dynamique du comportement des microparticules, et donne lieu à un modèle compatible avec la commande temps réel, validé expérimentalement sur des objets artificiels. Enfin, un contrôleur basé sur des techniques d’optimisation ainsi qu’un planificateur de trajectoires sont proposés pour le tri de cellules. Un simulateur est développé et met en avant les bonnes performances de tri d’un tel système. L’ensemble de ces méthodes permettront de contrôler la trajectoire de cellules biologiques dans des puces de tri afin d’en améliorer la sélectivité et la rapidité. / This thesis proposes to integrate the principles of micro-robotics in a lab-on-a-chip in order to improve the performance of cell sorting by dielectrophoresis. Controlling the trajectory of cells in a fluidic chip in real time requires redesigning the chip, modeling it and developing control laws dedicated to real-time control. Concerning the design, this thesis is interested in the compromise existing between the speed of sorting and the problems of cell tracking in real time. An original architecture based on two electrode planes, on the upper and lower faces of the channels, is proposed. Manufacturing processes dedicated to this architecture are developed. In particular, the manufacture of transparent electrodes and the assembly of the two parallel electrode arrays are studied. Concerning the modeling, an analytical formulation of the electric field uncoupling control variables, terms depending on the position of the object and terms depending solely on the geometry of the chip is proposed in order to quickly and accurately calculate the dielectrophoresis force. An analysis of the anisotropy of the friction forces present near the electrodes completes the dynamic modeling of the behavior of the microparticles, and gives rise to a model compatible with real-time control, validated experimentally on artificial objects. Finally, a controller based on optimization techniques and a trajectory planner are proposed for cell sorting. A simulator is developed and highlights the good sorting performance of such a system. All of these methods will control the trajectory of biological cells in sorting chips to improve selectivity and speed.

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.

Ce travail concerne le développement et l'optimisation de la thermométrie par fluorescence en milieu sec et liquide pour caractériser thermiquement des fils de dimensions submicrométriques dont l'échauffement est obtenu par effet Joule. En utilisant des simulations en éléments finis, les paramètres des fils sont étudiés afin d'optimiser leur comportement thermique. Un fort confinement spatial de la température autour des fils en nickel sur un substrat de silicium est observé grâce à des mesures en fluorescence. Concernant le temps de réponse, des constantes de temps thermiques en dessous de la milliseconde sont obtenues expérimentalement. Les résultats présentés dans cette thèse sont d'un grand intérêt pour le développement de nouveaux outils pour la détection, la reconnaissance et l'étude fondamentale des molécules (dépliement et repliement de protéines et d'ADN par exemple) sous modulation thermique rapide.