Ces travaux de thèse sont le fruit d’un constat : le développement des matériaux organiques dans les MEMS ne cesse de croître. Cela est dû à leurs procédés de fabrication à moindre coût et à leurs propriétés qui diffèrent de celles des matériaux inorganiques. D’un point de vue biologique,les propriétés physiques et chimiques des matériaux organiques sont également plus proches des propriétés de l’environnement extra-cellulaire. Les MEMS sont des systèmes très polyvalents permettant de mesurer de nombreuses grandeurs physiques. Leur utilisation dans le domaine biologique n’est donc pas étonnante et il est intéressant de combiner les MEMS avec des matériaux organique pour l’étude de cellules. L’objectif de ces travaux est de fabriquer et d’utiliser des résonateurs MEMS organiques piézoélectriques dans le but d’étudier la biomécanique et l’adhésion de cellules. En effet,la biomécanique des cellules est un domaine d’étude qui renseigne sur de nombreux processus opérés par les cellules, comme l’adhésion cellulaire, ainsi que sur leur bien être. Dans un premier temps, le procédé de fabrication des résonateurs a été établi et optimisé afin d’obtenir une efficacité d’actionnement piézoélectrique maximale. Dans un deuxième temps, un système d’actionnement et de mesure électrique a été réalisé, comportant une carte électronique ainsi qu’une enceinte étanche. L’influence de la température, de la densité et de la viscosité du milieu sur la résonance des MEMS a également été étudiée. Finalement, les résonateurs créés ont été utilisés dans le suivi en temps réel de l’adhésion de cellules souches mésenchymateuses. D’autres applications ont été réalisées avec les résonateurs piézoélectriques comme l’étude de la position d’une masse sur les résonateurs, la détermination de la rigidité d’un matériau ainsi que de la viscosité d’un liquide. / This PhD thesis is the result of an assessment : the use of organic materials in MEMSis in a constant increase. Organic materials are attractive because of their low-cost fabrication processand their properties that are different from the inorganic ones. From a biological point of view, theirphysical and chemical properties are closer to the properties of extracellular environment. MEMS arevery versatile systems that are able to measure a lot of physical quantities. Therefore, it is not surprisingto use them in biology, and combining MEMS with organic materials is really promising tostudy biological cells behavior. The objective of this work is to fabricate and use piezoelectric organicMEMS resonators to study cell biomechanics and adhesion. In fact, the study of cell biomechanicsgives information on a lot of cellular processes, like the cellular adhesion, as well as on their well-being.Firstly, the resonators fabrication process has been developed and optimized in order to maximize thepiezoelectric actuation. Secondly, an electronic actuation and measurement system has been realized,including an electronic card and a watertight enclosure. The influence of the temperature, mass densityand viscosity of the environment on the dynamic response of the resonators has also been evaluated.Finally, real time measurements of the adhesion of mesenchymal stem cells have been carried out usingthe resonators. The resonators have also been used to study the influence of the position of a mass onthe resonators, to determine the rigidity of a deposited material as well as the viscosity of liquid media.

La lutte contre le terrorisme et le trafic de narcotiques sont devenus des enjeux sociétaux majeurs. Par exemple, l’identification rapide des colis piégés est aujourd’hui indispensable dans les lieux publics, motivant le développement de systèmes de détection de types nez électroniques. Ce travail de recherche, porte sur l’étude des transducteurs MEMS de type microleviers et SAW (surface acoustic wave), choisis parmi les différentes familles de biocapteurs existants pour leurs nombreux avantages tels que leur grande sensibilité à détecter tous types de molécules. Cette thèse est axée sur l’étude de ces deux types de MEMS en diamant combinés à des biorécepteurs olfactifs spécifiquement impliqués dans la perception et la reconnaissance des odeurs. Les propriétés physiques et chimiques exceptionnelles du diamant déposé sur leur surface ont permis le développement de détecteurs à la fois miniaturisés, robustes et sensibles. La chimie unique du diamant a permis en particulier d’immobiliser sur la surface de ces transducteurs différents types de biorécepteurs de type OBP (Odorant Binding Protein), MUP (Major Urinary Protein) et OR (récepteurs olfactifs) comme couche sensible. L’immobilisation de ces LBP sur les MEMS en diamant a été caractérisée par diverses techniques telles que la spectroscopie électrochimique d’impédance (EIS), la spectroscopie de fluorescence ou encore la spectroscopie XPS. Les performances des capteurs ont été suivies par vibrométrie laser dans le cas des microleviers et à l’aide d’un système d’acquisition commercial dans le cas des SAW, en mesurant les déplacements de fréquence de résonance lors d’exposition aux composés cibles. Une comparaison entre les différents types de LBP provenant de différentes espèces (mammifères, insectes) a été effectuée en termes de sensibilité lors d’exposition à des drogues et des composés explosifs. Les limites de détections (LOD) obtenues dans nos conditions de mesures se situent dans la gamme d’1µg jusqu’à 35 ng par exemple pour l’héroïne, en fonction des espèces cibles testées. La LOD du TNT est d’environ 100 ng. / Over the last decade, the need for resources devoted to counter terrorism as well as narcotic trafficking has grown. Thus the effective fight against those scourges requires the development of advanced physical and chemical detection systems and sensor systems such as electronic noses able to detect drugs and explosives compounds. In this context, ligand binding proteins (LBP) combined to diamond MEMS such as resonant microcantilevers and surface acoustic wave (SAW) sensors are foreseen as highly promising transducers for the design of label free biosensors in particular for the detection of small organic molecules. LBP are small proteins involved in the perception and recognition of odorant molecules. In this study, OBP (Odorant Binding Protein), MUP (Major Urinary Protein) and OR (olfactory receptor) were used to bind selected analytes. The carbon nature of diamond offers wide opportunities for stable grafting of such bioreceptors. The performances of these transducers present a real improvement in terms of speed, miniaturization and sensitivity. Immobilization of LBP on diamond transducers was investigated using fluorescence methods, electrical impedance spectroscopy (EIS) and X-Ray photoelectron spectroscopy (XPS). The sensing performances of the resulting biosensors were assessed by monitoring the frequency shift in real time upon exposure to the target molecules. We compared different kind of LBP, coming from vertebrates, insects, mutant or wild type in terms of sensitivity, selectivity and for their capability to bind odors, explosive and drug compounds. Within our experimental conditions, the detection of a wide variety of drugs and explosives was possible in the concentration range typically from 1 µg to e.g. 35 ng in the case of heroin, depending on the test substances. The limit of detection of TNT compound is about 100 ng.

Ce travail porte sur l'étude du comportement rhéologique de fluide en milieu confiné. Pour cela le levier d'un microscope à force atomique (AFM) est utilisé pour sonder les propriétés rhéologiques d'un fluide confiné entre deux surfaces : la surface d'une sphère collée à l'extrémité du levier et une surface plane sur lequel le fluide est déposé. Le dispositif expérimental est constitué du système de mesure d'un AFM et d'un piézoélectrique permettant d'approcher ou d'éloigner de la sphère la surface plane. Un modèle analytique permet d'extraire les propriétés rhéologiques du fluide confiné à partir de la déflexion du levier induite par le pincement du fluide. Cette méthode a été validée pour les fluides newtoniens. Par contre pour les fluides non-newtoniens comme par exemple la solution de polyacrylamide nous avons trouvé que la viscosité dépend de la distance D et que le cisaillement n'est pas le seul paramètre pertinent pour interpréter les propriétés rhéologiques.

Ce travail consiste en l'étude et la réalisation d'un micro-capteur destiné à la mesure de concentration d'un composé en solution. La méthode de détection est basée sur la variation de fréquence de résonance d'un micro-dispositif mécanique dont la surface est fonctionnalisée pour adsorber le composé à mesurer. Ces biocapteurs en silicium, sous forme de micromembranes piézoélectriques, sont remarquables par leur grande sensibilité et la possibilité d'explorer en parallèle de nombreux échantillons. Après avoir exposé les différentes technologies de biocapteurs existantes, l'étude se concentre sur l'optimisation des conditions d'élaboration de couches minces piézoélectriques pour obtenir un procédé technologique parfaitement compatible avec la technologie silicium. Une caractérisation mécanique de ces membranes a été effectuée par interférométrie optique 3D pour extraire le coefficient piézoélectrique du matériau. Les premières membranes réalisées présentent des propriétés d'actionnement excellentes. Une deuxième génération de membranes a ensuite été réalisée en modifiant les géométries des différentes couches. La sensibilité obtenue est compatible avec les seuils de détection nécessaires pour la détection de molécules biologiques. Des protocoles chimiques permettant la fonctionnalisation de la surface des micromembranes ont ensuite été développés. L'évaluation du comportement du microdispositif en situation, c'est-à-dire en milieu liquide, a enfin été effectuée. Pour cela, une cellule fluidique avec régulation de température a été mise au point. Les membranes piézoélectriques ont été positionnées à l'intérieur de cette cellule fluidique pour mesurer la cinétique d'adsorption de nanoparticules d'or en solution. Dans le cadre des biopuces, des microleviers permettant le dépôt de micro-gouttes de solutions ont aussi été développés. Ils permettent notamment de fonctionnaliser individuellement chaque membrane et présentent l'avantage de ne pas endommager les microstructures.

En microscopie à force atomique (AFM), l'étude des échantillons est réalisée à l'aide d'une pointe montée sur un microlevier. Le coeur de la technique est la mesure de la force d'interaction pointe-surface, directement proportionnelle à la déflexion du levier. Plus généralement, la compréhension profonde des propriétés mécaniques des microstructures joue un rôle significatif dans le développement des microsystèmes électromécaniques (MEMS), ou encore de capteurs chimiques ou biologiques miniatures.<br /><br />Au delà du dispositif traditionnel de mesure de déflexion angulaire, nous avons conçu et réalisé un AFM avec une détection interférométrique différentielle (entre la base encastrée et l'extrémité libre du levier). La résolution ultime est de 10^-14 m/Hz^1/2, la mesure est de plus intrinsèquement calibrée, indifférente aux dérives thermiques lentes et sans limitation de la plage d'amplitude de la déflexion. <br /><br />Grâce à notre dispositif, nous mesurons le bruit thermique le long du levier. Une reconstruction de la forme spatiale des quatre premiers modes propres en flexion révèle un excellent accord avec le modèle de poutre de Euler-Bernoulli. Un ajustement simultané sur les quatre résonances thermiquement excitées est réalisé à l'aide d'un seul paramètre libre : la raideur du levier, qui est ainsi mesurée avec une grande précision et robustesse. <br /><br />Les fluctuations thermiques de déflexion à basse fréquence démontrent qu'un modèle d'oscillateur harmonique avec dissipation visqueuse n'est plus pertinent hors résonance. De plus, on observe des différences substantielles entre les leviers avec et sans revêtement métallique. Pour ces derniers, l'approche hydrodynamique de Sader rend compte fidèlement du comportement des fluctuations en dessous de la résonance dans l'air. La présence du revêtement introduit une deuxième source de dissipation : la viscoélasticité. Elle se manifeste comme un bruit en 1/f à basse fréquence. L'utilisation du Théorème Fluctuation-Dissipation (TFD) et des relations de Kramers-Kronig permettent une caractérisation complète de la réponse du levier à l'aide des spectres de fluctuations. Une estimation quantitative de la viscoélasticité et de sa dépendance en fréquence est notamment obtenue.

La force de Casimir, du nom du physicien qui prédit en 1948 l'existence de cette force attractive dans la configuration idéale de deux miroirs parfaits, plans et parallèles, est d'origine purement quantique. Elle résulte de l'existence des fluctuations quantiques de point zéro du champ électromagnétique et joue un rôle prépondérant dans le fonctionnement des nanosystèmes mécaniques en cours de développement et qui pourraient dans les années futures révolutionner l'industrie de la microélectronique. Pourtant, les effets correctifs liés à la conductivité des surfaces ou à l'empilement diélectrique des couches commencent seulement à être étudiés. L'objet du travail expérimental développé durant cette thèse a été la réalisation d'un appareil de mesure de forces faibles entre deux surfaces de tailles micrométriques en vue de l'étude de la force de Casimir. Nous avons adapté la technique mise au point au cours de la thèse de G. Jourdan à un environnement cryogénique afin d'atteindre les sensibilités en force requises pour l'étude de surfaces complexes. Ce manuscrit décrit ce nouvel appareil et ses performances. Nous avons ainsi étudié l'amortissement visqueux de notre sonde de force (un microlevier AFM avec une sphère collée à son extrêmité) engendré par le confinement du fluide environnant. A 4 K, nous avons mis en évidence des effets opto-mécaniques induits par le bruit laser. Enfin, nos premiers tests entre deux surfaces d'or de faible rugosité nous ont amenés à lutter contre une force parasite. Nous avons déterminé l'origine de cette force et réussi à la contrer. La force de Casimir entre une sphère en or et un échantillon de silicium a alors pu être mesurée.

Ce travail porte sur l'étude du comportement rhéologique de fluide en milieu confiné. Pour cela le levier d'un microscope à force atomique (AFM) est utilisé pour sonder les propriétés rhéologiques d'un fluide confiné entre deux surfaces : la surface d'une sphère collée à l'extrémité du levier et une surface plane sur lequel le fluide est déposé. Le dispositif expérimental est constitué du système de mesure d'un AFM et d'un piézoélectrique permettant d'approcher ou d'éloigner de la sphère la surface plane. Un modèle analytique permet d'extraire les propriétés rhéologiques du fluide confiné à partir de la déflexion du levier induite par le pincement du fluide. Cette méthode a été validée pour les fluides newtoniens. Par contre pour les fluides non-newtoniens comme par exemple la solution de polyacrylami de nous avons trouvé que la viscosité dépend de la distance D et que le cisaillement n'est pas le seul paramètre pertinent pour interpréter les propriétés rhéologiques. / This thesis focuses on the study of the rheological behavior of confined fluids. For this purpose, the microcantilever of an atomic force microscope (AFM) is used to probe the rheological properties of a fluid confined between two surfaces, the surface of a sphere glued to the free-end of the AFM microcantilever and a flat solid surface on which the fluid is deposited. The set-up consists of an AFM, an electrical system for the deflection measurement and a piezoelectric device to move the solid surface (approach, oscillation, etc.). An analytical model allows to determine the rheological properties of the confined fluid from the measurement of the microcantilever deflection due to the hydrodynamic force exerted by the fluid on the sphere.This method has been validated for Newtonian fluids. For non-Newtonian fluids, such as polyacrylamide solution, we found that the viscosity depends on the distance D between the sphere and the plane surface and the shear rate is not the only relevant parameter for interpreting the rheological properties.

Ce travail de thèse a porté sur le développement de réseaux de micro- et nanocapteurs opto-électrochimiques pour la bioanalyse. Ils répondent à la demande grandissante dans le domaine de la recherche et du diagnostic pour des outils permettant de réaliser de multiples analyses simultanément avec des échantillons de faibles volumes. Ces nouvelles biopuces de haute densité sont fabriquées à partir de faisceaux cohérents de fibres optiques. Une des deux faces est micro- ou nanostructurée par une attaque chimique, puis fonctionnalisée avec une sonde biologique. La première biopuce est un réseau de nanocapteurs fluorescents à ADN où les sondes ont été immobilisées grâce aux propriétés d’électropolymérisation du pyrrole. La lecture est réalisée à distance au travers du faisceau d’imagerie. En combinant la technique d’immobilisation avec des microleviers électrochimiques, plusieurs sondes différentes ont pu être adressées sur le même réseau nanostructuré. La seconde biopuce permet d’effectuer des immunodosages multiplexés en utilisant l’imagerie électrochimiluminescente résolue à l’échelle d’une microsphère. Le développement de cette technique permet de combiner les avantages de l’électrochimiluminescence avec des immunodosages multiplexés. L’élaboration de ces réseaux allie différentes techniques physico-chimiques, notamment électrochimiques, pour obtenir des biopuces avec un fort potentiel, grâce à une densité et un degré de multiplexage importants. / This work presents the development of optoelectrochemical micro- and nanosensor arrays for bioanalytical applications. These platforms respond to the growing need in research and diagnostic for tools allowing multiple and simultaneous analysis in small-volume samples. These new high density biochips are made from coherent optical fiber bundles: one face is micro- or nanostructured by chemical etching and then functionnalized with biological probes. The first biochip is a fluorescent DNA nanosensor array where probes have been immobilized by electrodeposition of a polypyrrole thin film. The detection of the hybridization is remotely performed through the imaging fiber. Different probes were succesfully addressed onto the same nanostructured array thanks to electrochemical cantilevers. The second biochip allows multiplexed sandwich immunoassays using electrochimiluminescent imaging resolved at the single bead level. In particular, the development of this new readout mechanism allows extending electrochemiluminescent detection for multiplexed immunoassays. Design and implementations of both platforms take advantages of different physical and chemical techniques, especially electrochemical, to obtain biochips with a great potential through high density and high multiplexing level.

Le domaine des biopuces et biocapteurs évolue dans le sens de la miniaturisation. La problématique qui apparait alors concerne l'adressage et l'immobilisation des biomolécules sur des structures devenant de plus en plus petites et intégrées dans des environnements fragiles. Le robot Bioplume a été retenu comme méthode d'adressage, pour la pertinence de l'échelle concernée (1-50µm) et le fort potentiel pressenti de la technique. Le dépôt de biomolécules et la technique spot-dans-spot ont été développés, ce qui réduit de 106 à 109 fois les quantités d'échantillons biologiques. Quatre méthodes d'immobilisation ont ensuite été mises en œuvre, afin d'appréhender les performances et les contraintes de chacune : la silanisation par GPTS, l'auto-assemblage d'alcanethiols, l'utilisation du polymère PLLgPEG et enfin l'électrodépôt par oxydation de pyrrole. L'adaptation de cette méthode électrochimique au robot Bioplume a permis d'apporter une solution efficace à la fois en termes d'adressage et en termes d'immobilisation, car la réaction d'immobilisation est réalisée simultanément au dépôt. Elle a donc été retenue pour deux applications : d'abord la réalisation de matrices de cellules isolées, avec détection par SPRi, puis le dépôt sur la section de fibres optiques. Enfin, trois nouvelles pistes dans le domaine de l'électrochimie localisée ont été explorées : l'électrodésorption de PLLgPEG, la miniaturisation des gouttes grâce à des pointes nanométriques, et enfin l'électrodépôt sur des microélectrodes dédiées. L'une des perspectives principales est la valorisation industrielle du robot Bioplume. Un nouveau prototype est ainsi développé afin de produire des biopuces à haute densité.

Les fluctuations quantiques de point zéro du champ électromagnétique (EM) produisent un effet mécanique remarquable entre deux objets macroscopiques, quelles que soient la forme et la nature de leurs matériaux : la force de Casimir, du nom du physicien hollandais qui en 1948 prédit l'existence d'une force attractive dans la configuration idéale de deux miroirs plans parfaits, neutres et parallèles. <br /> Depuis sa mise en évidence théorique, cet effet attire l'intérêt de communautés scientifiques d'horizons tous azimuts, des cosmologistes aux concepteurs de micro/nanosystèmes mécaniques en passant par les physiciens de la théorie quantique des champs et de la gravitation. Cette force qui se situe au coeur de nombreux problèmes actuels de physique théoriques, à l'interface de la physique de la gravitation et de la théorie quantique des champs (divergence de l'énergie du vide), joue en effet un rôle majeur dans le fonctionnement de nanosystèmes mécaniques en cours de développement, qui sont appelés dans les années futures à révolutionner toute l'industrie de la microélectronique. Les effets des conditions aux limites imposées au champ EM soulèvent en particulier de nombreuses interrogations sur le comportement de ce phénomène quantique. Son contrôle, par ce biais, constitue ainsi l'une des principales motivations du travail expérimental développé durant cette thèse : la conception d'un appareil de mesure de forces faibles entre deux surfaces de tailles micrométriques présentant une structuration à l'échelle du nanomètre en vue de l'étude de la force de Casimir. La sonde de force, développée au cours de la thèse de Gauthier Torricelli qui a lancé cette activité dans l'équipe Piconewton, est constituée d'une micropoutre au bout de laquelle est collée une sphère de quelques dizaines de micromètres de rayon et recouverte d'or.<br /> Cette thèse propose tout d'abord une caractérisation expérimentale et théorique de son comportement mécanique en présence de son environnement et des appareils de mesure qui l'entourent. La mise au point d'une procédure de calibration de force constitue ensuite une étape incontournable pour obtenir des mesures de forces absolues et ainsi réaliser des comparaisons théorie/expérience significatives.