Bio-Mag-MEMS autonomes basés sur des aimants permanents

166 Pages·2013·14.17 MB·French

THÈSE
pour obtenir le grade de
Docteur de l’Université de Grenoble
Spécialité : Génie Electrique
Arrêté ministériel : 7 août 2006
Présentée par
Luiz Fernando ZANINI
Ingénieur Matériaux par l’Université Fédérale de Santa Catarina,
Brésil
Thèse dirigée par Gilbert REYNE et
co-encadrée par Frédéric DUMAS-BOUCHIAT
préparée au sein du Laboratoire de Génie Electrique de
Grenoble
et de l’Institut Néel
Ecole Doctorale: EEATS - Electronique, Electrotechnique,
Automatique, Télécommunication, Signal
Bio-Mag-MEMS autonomes basés sur
des aimants permanents
Thèse soutenue publiquement le 18 février 2013
devant le jury composé de :
Dr. Anne-Marie GUE (Rapporteuse)
Dr. Paulo WENDHAUSEN (Rapporteur)
Dr. Stéphanie DESCROIX (Examinatrice)
Dr. Marie FRENEA-ROBIN (Examinatrice)
Dr. Gilbert REYNE (Directeur de thèse)
Dr. Frédéric DUMAS-BOUCHIAT (Co-encadrant)
Dr. Nora DEMPSEY (Invitée)

Abstract
The range of applications for magnetic micro- and nano-particles is constantly
expanding, in particular in medicine and biology. A number of applications involve particle
trapping and deviation under the effect of a magnetic field and field gradient. In most
publications, the required magnetic fields are produced either using soft magnetic elements
polarized by an external magnetic field, electromagnets or bulk permanent magnets.
Micromagnets produce high fields and favor autonomy and stability while downscaling
leads to an increase of field gradients. The challenge is to produce good quality, hard
magnetic films in the range of 1 to 100 µm both in thickness and lateral dimensions and to
integrate them into a Bio-Mag-MEMS.
Physical vapor deposition (triode sputtering) is used to prepare high quality rare earth
magnets in thick film form. In order to obtain field gradients in the lateral directions, three
techniques have been developed:
• Topographic patterning, in which the film itself is patterned either by sputtering onto
pre-etched substrates or by etching the magnetic film.
• Thermo-magnetic patterning, which exploits the temperature dependance of coercivity
to locally reorient the magnetization.
• Micro magnetic imprinting, which consists of organizing magnetic powder with the aid
of the above-cited magnets, then embedding the powder into a polymeric matrix.
Suchmicro-magnetsareautonomous, havingnorequirementsforacumbersomeexternal
field source nor power supply.
Herewedemonstratethepotentialtodevelopautonomousdevicesbasedonmicromagnet
arrays. Controlledpositioningusingsuperparamagneticparticlesasamodelisshownatfirst.
Then, the magnet arrays are used to study endocytic processes using magnetically labelled
biological elements.
In a step towards device integration, microfluidic channels are produced above the
magnet arrays. Magnetic and non-magnetic particles are pumped through the devices and
precise positioning, as well as guiding and sorting are performed. High purity is obtained in
the sorted solutions.
The good results obtained in the development of micromagnetic flux sources, integration
into microdevices and particle/cell handling and sorting indicate the high potential of this
work for actual biological and medical applications. Moreover, the biocompatibility and
autonomy of such devices allow their use in micro-total-analysis systems, point-of-care or
implantable devices.
3

Résumé
Les micro et nano billes magnétiques sont de plus en plus utilisées en Biologie et en
Médecine, pour une large gamme d’applications. Plusieurs applications utilisent le piégeage
et le guidage de ces billes sous l’effet d’un champ et d’un gradient de champ magnétique.
Danslaplupartdesapplicationslechampmagnétiqueestmacroscopique, crééparunaimant
ou un électro-aimant. L’intégration plus poussée est souvent envisagée, dans les articles
scientifiques, par des microbobines ou par des éléments magnétiques doux. Ceux-ci doivent
alors être polarisés par un champ externe (de nouveau, un électroaimant ou un aimant).
Les micro-aimants mis au point à l’Institut Néel permettent d’obtenir les mêmes
inductions que les meilleurs aimants du marché et, par conséquent, de par la réduction
d’échelle, des gradients de champ intenses. Ils sont, de plus, favorables à l’autonomie et à
la stabilité du système. Le défi est de produire de bonnes couches magnétiques avec des
dimensions de l’ordre de 1 à 100 µm et de les intégrer à des Bio-Mag-MEMS.
Le dépôt physique par phase vapeur (pulvérisation cathodique triode) est utilisé pour
le dépôt de ces aimants de haute qualité, en couche épaisse, et à base de terres-rares. Dans
le but d’optimiser les gradients latéraux des champs magnétiques, trois techniques ont été
développées:
• Le topographic patterning, dans lequel une couche est structurée géométriquement,
soit par dépôt sur un substrat pré-gravé, soit par gravure humide après le dépôt.
• Le thermo-magnetic patterning, qui exploite la dépendance thermique de la coercivité
pour réorienter localement l’aimantation de la couche.
• Le micro magnetic imprinting, qui consiste à organiser des particules magnétiques
à l’aide des aimants mentionnés ci-dessus et, ensuite, de les noyer dans une couche
polymérique.
Les micro-aimants présentent l’avantage, majeur pour un microsystème, d’être
autonomes. Ils ne nécessitent pas de source externe de champ magnétique, ni d’alimentation
électrique. Lorsdecestravaux, nousdévelopponsdesprototypesdemicrosystèmesfluidiques
autonomes basés sur des réseaux de micro-aimants. En premier lieu, la capture par
attraction et le positionnement controllé, en utilisant des particules superparamagnétiques
comme modèle. Puis, l’étude de phénomènes d’endocytose à l’aide d’éléments biologiques
marqués magnétiquement. Dans le but de passer à l’intégration des systèmes, des canaux
microfluidiques sont développes sur les réseaux magnétiques. Des particules magnétiques et
non-magnétiques sont introduites dans les canaux et leur positionnement, guidage et tri sont
réalisés. L’analyse des solutions triées indique une haute efficacité du système.
Les résultats obtenuslors du développement deces micro-sourcesde champmagnétiques
et de leur intégration dans des microsystèmes, ainsi que la manipulation et tri de particules,
démontrent le grand potentiel de ces recherches pour des applications grand public à des
systèmesbiologiquesetmédicaux. Deplus,labiocompatibilitéetl’autonomiedecessystèmes
permettent leur utilisation dans des microsystèmes d’analyse totale (µTAS), des systèmes
point-of-care (POC) et des implants biomédicaux, potentiellement jetables et bas coût.
5

Contents
Introduction 11
1 Concepts and context 17
1.1 Magnetism and micromagnets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.1.1 Induction, field, susceptibility, permeability . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.1.2 Classes of magnetic materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.1.3 Hard and soft magnets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.1.4 Magnetic particles and the superparamagnetism . . . . . . . . . . . . 23
1.2 Microfluidics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.2.1 Scaling laws and the continuum hypothesis . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.2.2 Reynolds number and flow regimes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.2.3 Digital and continuous flow microfluidics . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.2.4 Flow cytometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.3 State of the art: handling micro-objects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.3.1 Magnetic flux sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
1.3.2 Magnetophoresis: capture and release . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
1.3.3 Magnetophoresis: continuous guiding . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
1.4 The ANR EMERGENT Project . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2 Development of micro-magnetic flux sources 49
2.1 Triode sputtering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.1.1 Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.2 Characterization of micromagnets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.2.1 Magneto-optic imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.2.2 Magnetic Force Microscopy (MFM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.3 Topographic patterning (TOPO) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.4 Thermomagnetic patterning (TMP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
7
2.4.1 Mask fabrication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.4.2 Depth of magnetization reversal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.5 Micro-Magnetic Imprinting (µMI) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.5.1 Stray field analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
2.6 Micro-magnets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3 Microfluidic system: development and setup 73
3.1 Microfluidic system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.1.1 PDMS spin-coating above TMP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.1.2 Null-patterning of TOPO magnets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.1.3 Micro-channel preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.1.4 Assembling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.2 Microfluidic flow control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.2.1 Pressure control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.3 Complete setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4 Modeling particle handling with microfluidics 89
4.1 Model of the magnetic stray fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.2 Particle responses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.3 TMP versus TOPO magnets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.3.1 Fields and field gradients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.4 Microfluidics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.4.1 Particle flow in a microfluidic channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.4.2 Particle attraction and capturing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.4.3 Particle deviation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.5 Partial conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
5 Bio-Mag-MEMS 109
5.1 Static capture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
5.1.1 Static positioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
5.1.2 Positioning of biological elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
8
5.1.3 Study of endocytotic uptake by cell capturing . . . . . . . . . . . . . 116
5.2 Capture with microfluidics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
5.2.1 Sorting by capture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
5.3 Guiding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
5.3.1 Particle guiding with parallel-to-flow lines . . . . . . . . . . . . . . . 125
5.3.2 Continuous deviation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
5.3.3 Continuous sorting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
5.4 Microfluidics with TOPO magnets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
5.5 Towards more complex configurations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
5.5.1 Particle focusing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
5.5.2 Selective unpinning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
5.5.3 Multiple particle sorting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
5.6 Partial conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
Conclusion 141
Annex A - Analysis of Thermo-Magnetic Patterning 147
Annex B - Heat diffusion model 153
List of Papers 157
Bibliography 159
9