Les Dispositifs Médicaux d’Injection (DMI) se développent de plus en plus. De nouveaux dispositifs apportent des innovations en terme de performances et d’utilisation par rapport aux seringues classiques. Le DMI développé par Eveon est un dispositif bio-inspiré possédant des capteurs, une micropompe, un flacon et une aiguille. Il permet une injection automatique, précise au microlitre garantissant une faible perte de liquide médicamenteux grâce aux techniques de miniaturisation utilisées dans la fabrication des microsystèmes. En effet, une micropompe à membrane en silicium intégrant des capteurs a été réalisée par des procédés issus de la microélectronique. Deux types d’actionneurs ont été couplés à la membrane : un actionneur bimétallique intégré et un actionneur piezoélectrique externe. Dans le cas de l’actionneur bimétallique, des thermo-résistances ont été conçues, fabriquées et caractérisées pour permettre de mesurer le profil thermique de la membrane lors de l’actionnement avec une erreur de 5%. Dans le cas de l’actionneur piezoélectrique externe, des piezorésistances ont été intégrées selon l’axe radial de la membrane afin de contrôler le profil de contraintes dans la membrane, asservir l’actionneur en fonction de la contre-pression et maximiser les caractéristiques de la pompe. Afin d’assurer la délivrance d’une dose précise de médicament, un capteur de débit est intégré dans les canaux microfluidiques de la micropompe. Ce capteur innovant permet de détecter des débits de liquide dans la gamme spécifiée par les dispositifs médicaux d’injection, à savoir une plage de débit allant de 0.5mL/min à 4mL/min. / Injection Medical Devices are more and more developed. New devices bring innovations in terms of performances and use for classical syringes. Eveon develops a bio-inspired device including some sensors, a micropump, a reservoir and a needle. This automatic injection can be microliter precise with a small loss of medical liquid thanks to microfabrication techniques used for microsystems. Indeed, a silicon membrane micropump integrating sensors was fabricated using processes from microelectronic fabrication. Two actuation types were coupled to the membrane: an integrated bimetallic actuator and an external piezoelectric actuator. In the case of the bimetallic actuator, thermo-resistances were designed, fabricated and characterized to measure the thermal profile of the membrane during the actuation with a 5% error. In the case of piezoelectric actuation, piezoresistances were integrated within the membrane profile along the radial axis to control its stress, feedback the actuation as a function of the pressure and maximize the pump characteristics. To ensure that the dose of medicine was delivered, a flow rate sensor was integrated in the microfluidic channels of the micropump. This innovative sensor can detect liquid flow rate in a range specified for injection medical devices, namely flow rates from 0.5mL/min to 4mL/min.

Thesis (M.S.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Electrical Engineering and Computer Science, 1995. / Caption title. / Includes bibliographical references (p. 209-215). / Sponsored in part by a National Science Foundation Graduate Fellowship. / Susanne A. Paul. / M.S.

Cancer metastasis is the leading cause of death related to cancer diseases. Once the cancer cells depart the primary tumor site and enter the blood circulation, they spread through the body and will likely initiate a new tumor site. Therefore, understanding the cell migration and stopping the spread in the initial stage is the utmost of importance. In this dissertation, we have proposed a 3-D microenvironment that (partially) mimics the structures, complexity and circulation of human organs for cell migration studies. We have developed the tools to fabricate 3-D complex geometries in PDMS from our previously developed single-mask, single-etch technology in silicon. In this work, 3-D patterns are transferred from silicon structures to glass following anodic bonding and high temperature glass re-flow processes. Silicon is etched back thoroughly via wet etching and the glass is used as master device to create 3-D PDMS structures for use in dielectrophoresis cell sorting applications. Furthermore, this work has been modified to fabricate 3-D master devices in PDMS to create 3-D structures in collagen hydrogels to mimic native tissue structures. We have studied the interaction of endothelial cells with model geometries of blood vessels in collagen hydrogel at different concentrations to mimic the biomechanical properties of tissues varying from normal to tumor under the growth factor stimulation. Finally, we have designed and fabricated a silicon-based transmigration well with a 30um-thick membrane and 8um pores. This platform includes a deep microfluidic channel on the back-side sealed with a glass wafer. The migratory behavior of highly metastatic breast cancer cells, MDA-MB-231, is tested under different drug treatment conditions. This versatile platform will enable the application of more complex fluidic circulation profile, enhanced integration with other technologies, and running multiple assays simultaneously. / Ph. D.

Attachment of circulating tumor cells in microfluidic devices functionalized with proper antibodies was studied. Under static experimental conditions, microchambers were utilized to study the parameters such as cell suspension concentration, incubation time or ambient temperature that may affect the binding of cell to the functionalized surfaces. Specific capture of cells from suspensions increases exponentially with incubation time and linearly with concentration within the tested range. Functionalizing a surface with counter-receptors enables capture of almost 100% of cells within 15 minutes incubation time at ambient temperature higher than 25°C. Suspending cells with different receptors, changing the counter receptors immobilized on the surface, or incubation the cell suspension at low ambient temperature result in a poor capture ratio. To illustrate the specific binding of target cells, various binary mixtures of target cancer and blood cells were incubated in the microchambers. The microsystem sensitivity, specificity and accuracy were determined as a function of the incubated cell concentrations. In general, the system specificity increases while the sensitivity decreases with increasing cell concentration; the accuracy of the system depends weakly on cell concentration within the tested range. The cell attachment dynamics in shear flow was studied by driving the MDA-MB- 231 or BT-20 cells through microchannels functionalized with EpCAM antibodies. The cell attachment ratio was experimentally determined at different flow rates. A modeling system based on Stokesian as well as cell-adhesive dynamics is adopted to analyze the cell motion. The cell motion is modeled as a rigid sphere, with receptors on its surface, moving under shear flow above a surface immobilized with ligands. The system is described mathematically by the Langevin equation, in which the receptor-ligand bonds are modeled as linear springs. Primarily depending on the applied flow rate, three distinct dynamic states of cell motion have been observed: free motion, rolling adhesion, and firm adhesion. The fraction of cells captured due to firm adhesion, defined as attachment ratio, depends on the applied flow rate with a characteristic value that increases with either cellreceptor or surface-ligand density. Utilizing this characteristic flow rate as a scaling parameter, all measured and calculated attachment ratios for different receptor and ligand densities collapse onto a single exponential curve. Binary mixtures of target MDA-MB-231 cells and non-target BT-20 cells were driven through anti-cadherin-11 functionalized microchannels to study the selective isoaltion of target cells from binary mixtures. The system sensitivity is very high, above 0.95, while the specificity is only moderately high, about 0.85, essentially independent of the relative concentration of the target and non-target cells in the binary mixture. An attachment/detachment flow field pattern is proposed to enhance the system specificity. Utilizing this flow pattern with a 1:1,000 MDA-MB-231:BT-20 binary cell mixture, the microfluidic system specificity increased to about 0.95 while the sensitivity remained above 0.95. In order to obtain high experimental throughput allowing lower relative concentration of target cells, a microchannel array which enables processing samples containing about 510⁵ cells with a minimum target cell concentration ratio of 1/100,000 was designed and fabricated. To demonstrate selective isolation of target cells, binary mixtures of BT-20 cells and MIA PaCa-2 cells were driven through microchannel arrays functionalized with EpCAM antibodies; the EpCAM positive BT-20 cells served as target cells and the EpCAM negative MIA PaCa-2 cells as non-target cells. The relative concentration ratio of target/non-target cells varied from 1:1 to 1:100,000. The sensitivity was close to 1.0 while the specificity was also high, about 0.95. The additional detachment step, with a faster flow rate, enhanced the specificity to about 0.985. Initial results of two sets of experiments are reported as preliminary studies for future work. In the first set of experiments, whole blood samples from healthy donors were spiked with a known number of BT-20 cells at a concentration of 500 CTCs per milliliter blood or 50 CTCs per milliliter blood. After a pretreatment to enrich the CTCs, the samples were driven through microchannel arrays functionalized with anti-EpCAM. For both samples, around 55% of the target CTCs were captured in the microchannel arrays. The second set of experiments was dedicated to characterization of target cells exposed to applied shear stress. BT-20 or MDA-MB-231 cells were driven through microchannels functionalized with EpCAM antibodies to allow target cell attachment; then, a high flow rate was applied to detach the captured cells. The detached cells were collected and cultured in an incubator to test their viability. For both cell lines, the majority of the captured CTCs collected from the microchannels were viable. The images taken after three and seven days of culture demonstrate continuous cell growth and division.

Ce manuscrit est consacré au développement de méthodes de dérivation intra-capillaire ultrasensible et de méthodes de séparation électrocinétique hautement résolutives en vue d’une intégration dans un outil microfluidique de diagnostic de la maladie d’Alzheimer. La partie bibliographique situe d'abord le contexte épidémiologique et neurophysiopathologique de la maladie d’Alzheimer ainsi que les outils de diagnostic actuellement utilisés. Ensuite, l'état de l'art sur l'utilisation de méthodes de séparation électrocinétique, ainsi que les outils analytiques disponibles pour améliorer l’analyse d’échantillon biologique sont présentés. La partie expérimentale a porté tout d'abord sur le développement de méthodes de dérivation intra-capillaire permettant une détection ultrasensible de biomarqueurs de la maladie d’Alzheimer, en particulier l’ubiquitine, dans le liquide céphalo-rachidien. Le travail expérimental s’est ensuite prolongé par le développement d’une méthode de séparations hautement résolutives en puce en verre de différentes formes de peptides beta-amyloïdes, biomarqueurs pertinents en vue d’un diagnostic de la maladie d’Alzheimer. Pour terminer, l’apport de deux nouveaux substrats polymériques, le COC et le thiolène, pour la microfabrication de puce d’électrophorèse capillaire a été démontré. / This work is dedicated to the development of highly sensitive intra-capillary derivatization methods and highly resolutive electrokinetic separation methods, with the aim to integrate them in a microfluidic diagnostic tool of Alzheimer’s disease. The bibliographic chapter explains the epidemiologic and neurophysiopathologic background of Alzheimer’s disease and describes the diagnostic tools currently used. Then, a state of the art related to the use of electrokinetic separation methods, as well as the analytical techniques available to improve the analyses of biological samples, is presented. The first experimental part focused on the development of intra-capillary derivatization methods allowing highly sensitive detection of Alzheimer’s disease biomarkers, especially ubiquitine, in the cerebrospinal liquid. The second part was dedicated to the development of a capillary electrophoresis method, in a glass chip, capable of separating with a high resolution different forms of beta-amyloid peptides, which are relevant biomarkers of Alzheimer’s disease. Finally, the usefulness of new polymeric materials, such as COC and thiolene, for the manufacturing of microchip device was demonstrated. A careful study of their physico-chemical properties led to the development of relevant strategies for surface treatment, so as to minimize the adsorption of proteins. For the first time, a thiolene chip covered with a new copolymer allowed an electrokinetic separation of proteins.

Les bactéries, organismes les plus abondants de notre planète, ont un rôle fondamental dans le fonctionnement des écosystèmes. En dépit de leur importance, la caractérisation des communautés bactériennes (microbiotes) demeure encore aujourd’hui très incomplète. Ceci a pour origine l’impossibilité de complètement décrypter taxonomiquement et fonctionnellement les microbiotes de ces écosystèmes et donc à appréhender la diversité bactérienne dans son ensemble que ce soit par des approches culturales (avec seulement 1% de bactéries cultivables) ou par des approches metagénomiques limitées par les biais d’extraction, de séquençage et d’analyse. Les travaux entrepris dans le cadre de cette thèse visent à développer une nouvelle voie exploratoire passant par le fractionnement des microbiotes afin d’en étudier séparément les génomes des différentes populations ou groupes de populations, leur somme devant permettre de reconstituer un metagénome complet. Cet objectif requiert le développement d’un outil pour la sélection spécifique de bactéries (sur des critères taxonomiques ou fonctionnels) et leur isolement du reste des microorganismes non ciblés. Les travaux de thèse ont porté sur le développement d’une approche de marquage magnétique des bactéries basée sur l’hybridation moléculaire (hybridation in situ) complétée par celui d’un outil de tri microfluidique. Deux méthodes ont été développées, MISH et HCR, ciblant le gène de l’ARNr 23S, chacune reposant sur la formation, lors du processus d’hybridation, d’une structure secondaire en arborescence (MISH) ou ordonnée (HCR) permettant le greffage de nanoparticules magnétiques. Les résultats obtenus illustrent le potentiel des deux approches d’abord pour le marquage spécifique de bactéries cibles (E.coli et Pseudomonas putida) en conditions de culture au laboratoire puis dans un second temps dans des échantillons de sol. Le tri microfluidique a également été optimisé par le développement d’un nouveau dispositif de tri magnétique permettant la séparation des cellules marquées sous flux continu faisant appel à l’injection d’un polymère composite magnétique pour intégrer au fond du microcanal une série de bandes parallèles magnétiques. La fonctionnalité du dispositif a été démontrée, sa simplicité de fabrication en faisant un outil de choix pour une application en routine dans les laboratoires d’écologie microbienne. En dépit de résultats prometteurs toute cette nouvelle approche d’étude de la diversité bactérienne environnementale nécessite encore de nombreuses étapes d’optimisation. / Bacteria, the most abundant organisms on our planet, have a fundamental role in ecosystem functioning. Despite their importance, the characterization of bacterial communities is today still incomplete. This is due to the impossibility of completely decomposing taxonomically and functionally the microbial communities of these ecosystems and as a consequence to apprehend the whole bacterial diversity, either by cultural approaches (with only 1% of culturable bacteria) or by metagenomic, a limited approaches cause by biases in extraction, sequencing and analysis. The work undertaken in this thesis aims to develop a new exploratory pathway through the fractionation of microbiota in order to study separately genomes of different populations or groups of populations. Their sum should enable reconstitution of complete metagenome. This objective requires the development of a tool for the specific selection of bacteria (on taxonomic or functional criteria) and their isolation from the rest of the non-target microorganisms. The thesis work focused on the development of a magnetic labeling approach for bacteria based on molecular hybridization (in situ hybridization) complete by development of a microfluidic cell-sorting tool. Two methods have been developed, MISH and HCR, targeting the 23S rRNA gene, each based on the formation, during the hybridization process, of a secondary random structure (MISH) or organized structure (HCR) enabling binding to magnetic nanoparticles. Results obtained illustrate the potential of the two approaches initially for the specific labeling of target bacteria (E.coli and Pseudomonas putida) under laboratory conditions and then in soil samples. The microfluidic sorting was also optimized by the development of a novel magnetic cell-sorting device allowing the separation of the labeled cells under continuous flow using the injection of a magnetic composite polymer to integrate a series of magnetic parallel strips at the bottom of the microchannel. The proper functioning of the sorting device has been demonstrated, its simple production making it a tool of choice for a routine application in laboratories of microbial ecology. Despite promising results all this new approach for studying environmental bacterial diversity is still requiring many optimization steps.

L’exfoliation en phase liquide du graphite est un procédé simple susceptible de produire du graphène à faible coût. Ces dernières années, de nombreuses équipes ont exploité la cavitation acoustique et la cavitation hydrodynamique comme moyen d’exfoliation. La cavitation acoustique ne peut traiter qu’une quantité limitée de fluide et génère des défauts sur la structure du graphène,tandis que la cavitation hydrodynamique dans une solution en écoulement n’agit que localement pendant une durée très brève. Les équipes de recherche utilisant ce dernier procédé compensent cette brièveté en imposant à la solution chargée en graphite des différences de pression très fortes, et utilisent alors des infrastructures macroscopiques lourdes pour lesquelles il est difficile de distinguer le rôle du cisaillement de celui de la cavitation. Nous avons cherché à développer un nouveau procédé d’exfoliation basé sur l’utilisation de microsystèmes fluidiques capables de générer un écoulementcavitant avec un débit supérieur à 10 L/h pour une différence de pression modérée n’excédant pas 10 bar. Une nouvelle génération de laboratoires ‘sur puce’ a ainsi été imaginée et réalisée, permettant de traiter des solutions surfactées chargées en microparticules de graphite. Il est apparu que laconcentration solide et la durée de traitement sont des paramètres cruciaux pour l’efficacité du procédé. Par rapport à un écoulement monophasique laminaire microfluidique, l’écoulement cavitant produit plus de produits exfoliés et de graphène, avec un rendement de l’ordre de 6%. Ceci indique que l’implosion des bulles et la turbulence favorisent également les interactions entre particules. Ce procédé d’exfoliation microfluidique, qui ne nécessite une puissance que de quelques Watts, permet d’envisager à terme une production économe et écologique de graphène en suspension. / Liquid phase exfoliation of graphite is a simple and low-cost process, that is likely to produce graphene. The last few years, many researchers have used acoustic or hydrodynamic cavitation as an exfoliating tool. Acoustic cavitation is limited to low volumes and defects are present on the graphenesheets ; hydrodynamic cavitation inside a flowing solution acts briefly. So, people are using big reactors running with high pressure drops, and it is difficult from a fundamental point of view to know the physical role of shear rate versus cavitation, in the exfoliation process. We have tried to develop a new process funded on hydrodynamic cavitation ’on a chip’, with flow rates above 10 L/h and pressure drop below 10 bar. A new generation of ’labs on a chip’ has been designed and performed, processing with aqueous surfactant graphite solutions. The solid concentration and the duration of the process have proved to be key parameters. Cavitating microflows have exhibited a better efficiency (up to ~6%) than laminar liquid microflows, for the production of graphene flakes. Collapsing bubbles and turbulence are also likely to enhance particles interactions. Such a microfluidic process, which requires an hydraulic power of a few Watt, makes possible a further low-cost and green production of graphene sheets.

302 samples were evaluated in the present study including 50 standard quality control samples, 62 repeatability samples and two separate batches of 90 and 100 samples of clinical isolates. Standard samples with registered ATCC or CCUG codes taken from international reference lab, used for performance test (quality control) of Vitek2 compact analyzer. The results of performance test showed total 98% accuracy. Detailed performance test results showed 100% accuracy for Gram positive & Gram negative bacteria and 95% accuracy for NH group members.Comparison between results of different culture media showed that use of conventional culture media instead of commercial branded culture media for preparing bacterial suspensions, doesn’t affect the result’s accuracy level in Vitek2 analyzer.Repeatability and reproducibility study of 62 samples including standard & clinical isolates results, showed 96.8% coalition in reproduced results by Vitek2 analyzer.The comparative results of 90 clinical samples via API 20E / API 20NE Microsystems and Vitek2 compact analyzer showed 77.8% “Complete coalition” or coalition in the "genus" and "species" levels of isolated micro organisms, 10.0% “partial coalition” which means coalition in the "genus" level but difference in "species” of isolates, 6.7% “no coalition” or different results in the "genus" and "species" levels of isolated micro organisms and 5.5% “unidentified” micro organisms by one of the applied methods. Comparative results also showed that total acceptable results rose from 80% in API system to 90% in vitek2 analyzer for clinical samples in this study.Survey on a random selection of 100 samples of Vitek2 reports showed an average analyze time of 5.5 hrs (330 Min.), where the minimum and maximum observed time were 2.75 hrs and 10.25 hrs respectively. Findings in this survey also showed 94% excellent, very good and acceptable identification of bacterial strain, 4% low discrimination, 2% non reactive bio-pattern and unidentified organism. The abundance of different bacteria in the random collection was composed of 71% gram negative, 24% gram positive and 5% NH group members. Escherichia coli (23.2% of total) were the popular bacteria in this collection.

Dans ce mémoire, une étude des conditions de contrôles d’écoulements aérodynamiques par des réseaux de générateurs de tourbillons fluidiques pulsés est menée pour établir un cahier des charges des micro-actionneurs instrumentés de faible coût, indispensables à la réalisation de ce type de contrôle actif à l’échelle industrielle. Une discussion des problématiques rencontrées dans la mise en place de ces dispositifs permet de définir des solutions techniques pertinentes. Une micro-valve encapsulée, constituée d’un canal micro-fluidique en silicium dont l’ouverture est contrôlée par un résonateur annulaire en PDMS, actionnée par différents dispositifs macroscopiques magnétiques, est alors modélisée, fabriquée et caractérisée. Le dispositif permet de générer des jets d’air pulsés complètement contrôlés jusqu’à des vitesses de 150m/s sur la gamme de fréquence [0 ; 500 Hz]. Des réseaux de ces micro-actionneurs polyvalents sont ensuite utilisés en soufflerie pour démontrer sur différents profils aérodynamiques classiques l’intérêt du contrôle par jet pulsé. Le recollement du flux d’air décollé est obtenu sur chacune de ces maquettes pour des conditions réalistes et avec un rendement fluidique supérieur à celui des jets continus.Un débitmètre massique composé d’un capteur de température, d’un capteur de frottement pariétal et d’un capteur de pression de type Pirani, réalisés dans le même procédé de fabrication, est intégré au micro-actionneur. Il permet de caractériser in-situ les jets d’air produits.Enfin un prototype répondant complètement au cahier des charges industriel est obtenu. Sa taille est minimisée par l’optimisation de l’actionneur grâce à un algorithme génétique / This thesis starts with a study of aerodynamic flow control conditions by arrays of pulsed fluidic vortex generators. Detailed specifications are synthesised for the conception of low cost, sensors equipped, micro-actuators required to manage industrial scale active flow control experiments. Devices implementation is discussed to define relevant technical solutions.A packaged micro valve is modelled, fabricated and characterized. It is composed of a micro fluidic channel modulated by an annular membrane resonator made of PDMS. The membrane is controlled by different kinds of magnetic actuation. Fully controlled pulsed air jets are obtained in the frequency range [0; 500 Hz] with velocities up to 150 m/s. Arrays of these micro actuators are used in wind tunnel experiments to demonstrate the ability of pulsed jet to manage control on a wide range of classical separated flows. Reattachment is achieved under industrial flow conditions with improved fluidic yield compared to continuous jets.A mass flow meter constituted of a thermal sensor, a shear flow sensor and a Pirani pressure sensor, all of them built in a single fabrication step, is integrated in the micro-actuator. It allows in-situ characterization of the produced air jets.Finally, a fully satisfying demonstrator is obtained. Its sized is minimized through the use of a genetic algorithm

L’augmentation de la densité d’intégration de composants électroniques (CMOS, FDSOI 14 nm, mémoires flash) et le développement de nouveaux dispositifs (capteurs d’images, composants photoniques) font émerger de nouveaux problèmes de fabrication des puces dans l’industrie de la microélectronique. L’efficacité des procédés humides de gravure et de nettoyage de la surface structurée des composants peut être limitée par un mouillage incomplet des micro/nanostructures dont les dimensions chutent alors que les rapports d’aspect augmentent fortement. L’état de mouillage et les cinétiques de remplissage des micro/nanostructures constituent alors deux paramètres clés pour adapter au mieux les procédés humides. Ce travail de thèse, réalisé en collaboration avec STMicroelectronics, présente une méthode acoustique originale de réflectométrie haute fréquence appliquée à la caractérisation du mouillage de surfaces structurées industrielles aux échelles micrométriques (vias) et nanométriques (tranchées profondes d’isolation de pixels, contacts de transistors CMOS). Deux modèles acoustiques ont été développés : un modèle numérique par différences finies et un modèle analytique basé sur la diffraction. Ils nous ont permis de mieux comprendre le comportement de l’onde acoustique dans les micro/nanostructures et d’interpréter les mesures expérimentales de mouillage. Nous avons alors déterminé localement l’état de mouillage des structures (état Wenzel, Cassie, composites) et détecté l’imprégnation de surfaces initialement non-mouillantes par abaissement de la tension superficielle des liquides. La cinétique de remplissage de vias micrométriques a aussi pu être mesurée. / Large scale integration in the field of electronic components (CMOS, FDSOI 14 nm, flash memory), and the development of new devices (image sensors, photonic components) raise new issues in chip manufacturing in the microelectronics industry. Wet etching and wet cleaning efficiency of the patterned surface of the components can be limited by an incomplete wetting of the micro/nanostructures, for which dimensions shrink and aspect ratios increase highly. Wetting state and micro/nanostructures filling kinetics are then two key parameters to adapt the wet processes at best. This thesis work, conducted in partnership with STMicroelectronics, presents an original acoustic method of high frequency reflectometry for wetting characterization of industrial structured surfaces at the micrometric (vias) and nanometric scale (deep trenches for pixels insulation, CMOS transistor contacts). Two acoustic models have been developed: one numerical finite difference model and one analytical model based on diffraction. They enable us to have a better understanding of the acoustic wave behavior inside the micro/nanostructures and to interpret the experimental measurements of wetting. We determined the wetting state of the structures (Wenzel, Cassie, composite states) and imbibition of initially non-wetting surfaces has been detected by lowering the surface tension of the liquids. Micrometric vias filling kinetics has also been measured.