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. / This work focuses on the development of a microfluidic platform (lab on a chip) for the measurement of pathogens infectivity power in water. The main function studied in this manuscript is the concentration of parasites suspended in a liquid. The manipulation of microparticles is based on the use of electrokinetic forces. Numerical analysis in two and three dimensions provides qualitative information. It can also extract the geometric key values of electrodes used for the concentration of the microparticles. These theoretical results are confirmed experimentally using two devices containing a wide variety of concentrators. From the theoretical and experimental results, we design an optimized concentrator. It is integrated in a system allowing droplet motion by electrowetting on dielectric (EWOD). This system is used in three modes: concentrator, extractor and separator. Cryptosporidium oocysts and Giardia lamblia cysts are used for the characterization of the device. Preliminary results of cell culture on surfaces functionalized at scale of hundreds of microns allow to consider the development of a complete microfluidic platform for infectivity analysis of pathogenic agent such as Cryptosporidium.

Les technologies de type laboratoire sur puce (« lab on chip » LOC) mettent à profit la miniaturisation pour réaliser production, traitement, et analyse physico-chimiques sur un même substrat de petite taille avec comme résultat des dispositifs portables, plus rapides, demandant de plus petites quantités de réactifs, produits et opérés à plus faible coût. Les produits et les applications développés pour tirer profit de ces avantages ont le potentiel de transformer plusieurs secteurs comme ceux de la médecine et de la surveillance environnementale. Les mesures de calorimétrie revêtent un intérêt particulier pour l’intégration aux plateformes de type LOC notamment parce que la production de chaleur est un phénomène ubiquitaire. Or, cette intégration repose avant tout sur la capacité de produire des dispositifs miniaturisés suffisamment performants et compatibles avec la construction des plateformes LOC. La calorimétrie miniaturisée est un champ relativement peu développé même si, comme à l’échelle conventionnelle, elle permet d’obtenir des informations utiles pour la compréhension des phénomènes de transformations de la matière. Or, la calorimétrie miniaturisée fait face à un défi de taille. La taille réduite des échantillons résulte inévitablement en une diminution de la quantité de chaleur à mesurer. Possiblement pour faire face à cette limite, la grande majorité des calorimètres miniaturisés adopte une configuration planaire, car le positionnement du système cellule calorimétrique-échantillon sur membrane a pour effet de maximiser leur sensibilité. La configuration membranaire réduit la conduction thermique à travers le substrat ce qui, à puissance égale, résulte en davantage de signal. Cette configuration demande toutefois certains compromis. Elle pousse par exemple à construire les thermopiles à partir de films de plus en plus minces afin d’éviter d’annuler les gains. Or, des effets de « film mince », sont observés qui dégradent significativement les propriétés attendues des matériaux. Les gains apportés par la configuration membranaire peuvent aussi être annulés par la conduction thermique hors substrat qui est très sensible à la géométrie de la source de chaleur ainsi qu’aux conditions ambiantes. Ces deux phénomènes affectent significativement la sensibilité des calorimètres miniaturisés et peuvent résulter en une diminution de la précision des mesures. Dans le premier cas, on estime à 20-30% l’erreur évitée; dans le second cas, on estime à près de 30% l’erreur évitée. Les contributions présentées dans cette thèse proposent des moyens d’améliorer la précision des calorimètres miniaturisés, en renforçant la compréhension des compromis fondamentaux à négocier dans la conception de tels dispositifs et d’établir un « modèle » pour prédire avec une plus grande fidélité la performance de calorimètres miniaturisés à partir des paramètres de l’architecture. On peut donc plus précisément évaluer le potentiel de différents designs de calorimètres miniaturisés et explorer la manière de faire des calorimètres miniaturisés de bons candidats à l’intégration sur les plateformes LOC, que ce soit sur structure membranaire ou d’autres substrats.

Ce travail de recherche est centré sur l’électromouillage sur diélectrique (EWOD) et l’emploi de surfaces superhydrophobes dans une optique d’intégration dans un système microfluidique en gouttes. Dans un premier temps, nous détaillons la réalisation de surfaces présentant différentes échelles de rugosités : micro-, nano- et micro/nanotexturées. Leur robustesse à l'imprégnation d'un liquide soumis à pression extérieure est étudiée. Deux techniques sont mises en œuvre, l’impact de goutte et l’EWOD. Les surfaces à double échelle de rugosité montrent une meilleure robustesse (>13kPa). Cependant, une surface de nanofils de silicium présente des seuils d’empalement à l’état de l’art (>17kPa) et une réversibilité complète sous EWOD. Dans un second temps nous caractérisons le déplacement de gouttes par EWOD au sein d’un système microfluidique et mettons en évidence l’influence des surfaces superhydrophobes (par rapport à des surfaces hydrophobes). Nous obtenons pour une tension donnée, des vitesses de déplacement supérieures (+30%), pour une vitesse donnée, une tension d’actuation réduite (-30%), ainsi que des contraintes de cisaillements proche paroi plus importantes. Enfin, ces propriétés sont mises en avant à travers deux applications que sont la collecte de bio-particules et l’analyse par spectrométrie de masse de biomolécules présentes en solution. Dans le premier cas, une efficacité de collecte proche de 100% est obtenue que ce soit pour des virus ou des spores. Dans le second cas, nous avons pu analyser des concentrations de peptides jusque 10fmol dans des zones localisées ainsi qu’un très faible niveau de pollution en dehors de ces zones. / This work deals with electrowetting on dielectric (EWOD) technique and integration of superhydrophobic surfaces in a droplet-based microfluidic device. The first part of the thesis consists on the preparation of micro-, nano- and micro-nano-structured surfaces, and a detailed study of their robustness to impalement under electrowetting and drop impact. Hierarchical surperhydrophobic surfaces showed the best robustness to impalement. However, a silicon nanowires surface has shown an impalement threshold still in the state of art with a total reversible behavior under EWOD. In a second approach, we characterized droplet displacement using electrowetting in a microfluidic system and evidenced the influence of superhydrophobic surfaces compared to hydrophobic ones. For a given actuation voltage, the droplet motion is increased by +30% and for a given droplet motion, the actuation voltage is reduced by -30%. Moreover, wall shear stresses are more important. Finally, these properties are featured through two main applications: particles collection and bio-molecules analysis by matrix-free laser desorption/ionization mass spectrometry. For particles collection, a cleaning efficiency close to 100% either for virus or bacteria particles was reached using superhydrophobic surfaces. For lab-on-chip application, a detection limit of 10 fmol was obtained for peptides analysis using mass spectrometry.

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. / Cell fusion is a method to generate a hybrid cell combing the specific properties of its progenitor cells. Initially developed for antibody production, it is now also investigated for cancer immunotherapy. Electrofusion consists on the production of hybridoma using electric pulses. Compared to viral or chemical methods, electrofusion shows higher yields and this system is contaminant free. Actually, electrofusion is investigated in electroporation cuvettes, where the electric field is not precisely controllable and cell placement impossible, resulting in low binuclear hibridoma yields. To improve the fusion quality and yield, cell capture and pairing are necessary.Our objective was the development and realization of biochips involving microelectrodes and microfluidic channels to place and pair cells prior to electrofusion. A first trapping structure based on insulators and the use of dielectrophoresis has been achieved. In order to perform fluidic experiments, a biocompatible irreversible packaging was developed. Then, the experimental medium was optimized for electrofusion. Confronting the biological experiments and the numerical simulations, we showed that the application of electric pulses leads to a decrease of the cytoplasmic conductivity. The microstructure was validated by cell electrofusion. A yield of 55%, with a membrane fusion duration of 6 s has been achieved. Secondly, we proposed two trapping microstructures for high density electrofusions. The first one is based on a fluidic trapping while the second one uses dielectrophoresis, free of electric wiring, thanks to conductive pads. Up to 75% of paired cells were successfully electrofused with the conductive pads. More than 97% of the hybridoma were binuclear. The trapping being reversible, the hybridoma can be collected for further analysis.

L’intérêt des ultrasons pour la caractérisation de milieux ou pour l’actionnement à plus forte puissance n’est plus à démontrer. L’intégration de fonctions acoustiques substrats de silicium soulève en revanche de nombreux problèmes technologiques. Le travail de thèse présenté fait suite aux premiers développements technologiques qui ont permis la validation du concept de caractérisation acoustique haute fréquence en canal microfluidique. Les principales avancées de ce travail concernent l’optimisation du transfert de l’énergie acoustique dans le canal microfluidique dans une bande de fréquence allant de 500 à 1000 MHz. Des dépôts de couches minces sur les miroirs et le développement de transducteurs en couches épaisses constituent les principales avancées. Une première évaluation de l’actionnement de fluides ou de particules en canal microfluidique est également présentée ainsi qu’une application du système à la mesure de température en canal microfluidique par ultrasons. / The interest of ultrasounds for media characterization or for actuation when using more power is well known. Nevertheless, the integration of these acoustic functions in silicon based Lab-on-chips requires specific technological developments. The possibility to use high frequency bulk acoustic waves in this kind of systems for characterization or detection has been presented previously in another PhD work. The main objective of this work was to optimize acoustic energy transfer to a microfluidic channel in a frequency range between 500 MHz and 1000 MHz. To do that, the main technological developments achieved among others concern the coating of the guiding mirrors to avoid acoustic mode conversion and ZnO thick films sputtering for the fabrication of piezoelectric transducers. The developed system has been used for particles detection or concentration evaluation. Moreover, a first evaluation of fluids/particles actuation was demonstrated, along with temperature evaluation using ultrasound were achieved in microfluidic channels.

Les mutations profondes observées au cours des vingt-cinq dernières années dans le monde de l'électronique ont actuellement cours en biologie, en partie grâce aux biotechnologies. Le concept communément appelé "laboratoire sur puce" (Lab-On-Chips, LOC) doit son essor à l'effort considérable qui a été mené en matière de développement des technologies de micro-fabrication. Le nombre d'outils technologiques disponibles actuellement pour la fabrication de réseaux microfluidiques est important mais la réalisation de systèmes complexes tridimensionnels reste encore un challenge. Le développement des micro- et nanotechnologies à de nouveaux matériaux comme les polymères, et en particulier la SU-8, a permis d'ouvrir la voie à une intégration plus élaborée telle que nous la présentons dans ce travail de thèse. Nous y exposons la démarche et les détails d'une approche consistant en la conception, la modélisation et la fabrication de dispositifs d'actionnement magnétique intégrés au sein de réseaux microfluidique en SU-8 pour la manipulation de billes magnétiques ; le tout étant élaboré sur un substrat souple de type PET. Le développement des outils de caractérisations des systèmes réalisés a également été présenté. Ils ont permis la mise en place d'un protocole expérimental visant à évaluer et quantifier les différents paramètres électriques, thermiques, fluidiques et magnétiques concourant à obtenir un dispositif LOC efficient dans la circulation de fluides, le piégeage de billes magnétiques, leur transfert d'une zone à un autre et leur orientation guidée vers des canaux privilégiés.

Les laboratoires sur puce sont des dispositifs intégrés rassemblant, sur un substrat miniaturisé, une ou plusieurs fonctions de laboratoire, généralement dédiées à la manipulation d'échantillons chimiques ou biologiques. L'objectif de ces travaux est l'intégration dans les microsystèmes d'un polymère intelligent, le poly(N-isopropylacrylamide) (pnipam), afin de développer une nouvelle filière technologique pour les laboratoires sur puce. Le pnipam est un polymère thermosensible subissant un changement réversible, d'un état hydrophile et gonflé sous sa température de transition (lcst ~32°C) à un état hydrophobe et replié au-delà. La technologie développée repose sur des éléments chauffants et un protocole de greffage du pnipam sur des surfaces. Nos travaux montrent que le contrôle thermique du pnipam permet de moduler le flux électroosmotique, ouvrant ainsi la voie au développement de mélangeurs électrocinétiques. Ce contrôle permet également l'accrochage, partiellement réversible, de protéines sur des billes fonctionnalisées, pour des applications dans le domaine de la préparation d'échantillon.

Linvention du concept de µTAS (micro total chemical analysis system) au début des années quatre vingt dix a ouvert aux fluides la porte du monde des microsystèmes. Un laboratoire sur puce intègre toutes les fonctions dun laboratoire macroscopique (déplacer, mélanger, chauffer des liquides, filtrer, séparer, détecter des molécules, etc.) sur une petite surface (typiquement quelques centimètres carrés). Le challenge technologique repose sur le couplage entre un microsystème conventionnel et un réseau microfluidique. Si les procédés silicium et verre ont été largement utilisés durant les années quatre vingt dix, ils présentent plusieurs inconvénients rédhibitoires : incompatibilité des technologies silicium avec les forts champs électriques nécessaires pour les séparations électrophorétiques et/ou le pompage électroosmotique, technologies non adaptées pour des grandes surfaces, difficultés dintégration dans un système complet, prix élevé des matériaux et des procédés associés, etc. La solution explorée dans cette thèse consiste à construire directement le réseau microfluidique sur un microsystème conventionnel dans des résines photosensibles (SU-8), ce qui facilite lintégration et autorise la fabrication de structures 3D avec un excellent alignement niveau à niveau. Les outils de caractérisation microfluidique développées et utilisés dans le cadre de ce travail sont présentés. Les effets de surface étant fondamentaux à cette échelle, une stratégie générique de modification des propriétés physicochimiques de la SU-8 est proposée et caractérisée.

L'objectif de ce travail porte sur l'étude et la réalisation de résonateurs optiques à état liquide en microfluidique digitale. Les gouttes sphériques constituent des résonateurs à mode de galerie, dans lesquels la lumière peut être piégée par réflexion totale interne. A l'échelle microscopique, elles exhibent des propriétés optiques remarquables. Leurs facteurs de qualité très élevés en font notamment des objets propices à l'étude de phénomènes optiques non linéaires, tel l'effet laser, et leur confèrent un potentiel certain en spectroscopie. Par ailleurs, la microfluidique digitale, qui a trait aux systèmes multiphasiques dans des microcanaux artificiels, offre une grande liberté de manipulation des microgouttes : génération au kHz, transport, encapsulation, fusion, division, stockage, triage... Aussi, pour les laboratoires-sur-puce, le développement de ces microgouttes en cavités résonantes constitue une opportunité d'intégrer des outils d'analyse optique capables de sonder des échantillons allant du picolitre au nanolitre.Après un exposé des propriétés optiques des résonateurs à modes de galerie, ce mémoire rapporte les travaux réalisés. Une présentation des méthodes de microfabrication et du montage expérimental précède l'étude de la génération de cavités optiques liquides en dynamique. Ces cavités résonantes sont ensuite appliquées aux sources lasers microfluidiques. En particulier, un effet laser a été mis en évidence dans des microgouttes sphériques d'éthylène glycol contenant de la rhodamine 6G. Enfin, une ouverture sur des systèmes couplant microgouttes et cavités Fabry-Perot présente d'autres perspectives telles que l'analyse de gouttes passives en intravité laser ou bien la commutation rapide de la longueur d'onde d'émission de lasers microfluidiques monomodes.

This dissertation presents the design and implementation of a 16-channel sinusoidal generator to stimulate microfluidic devices that use electrokinetic forces to manipulate particles. The generator has both, independent frequency and independent amplitude control for each channel. The stimulation system is based upon a CMOS application specific (ASIC) device developed using 0.35μm technology. Several generator techniques were compared based on frequency range, total harmonic distortion (THD), and on-chip area. The best alternative for the microfluidic applications is based in a triangle-to-sine converter and presents a frequency range of 8kHz to 21MHz, an output voltage range of 0V to 3.1VPP , and a maximum THD of 5.11%. The fabricated device, has a foot-print of 1560μm×2030μm. The amplitude of the outputs is extended using an interface card, achieving voltages of 0V to 15VPP . The generator functionality was tested by performing an experimental set-up with particle trapping. The set-up consisted of a mi-cromachined channel with embedded electrodes configured as two electrical ports located at different positions along the channel. By choosing specific amplitude and frequency values from the generator, different particles suspended in a fluid were simultaneously trapped at different ports. The multichannel stimulator presented here can be used in many microfluidic experiments and devices where particle trapping, separation and characterization is desired.