C Calculs de force magnétique

233 Pages·2016·10.21 MB·French

Remerciements
Unethèse.Cesquelquesannéessontl’unitédetempsàl’échelled’unprojetderecherche,
maisuneétapecapitaleauniveauindividuel:pluslonguequelelycéeouquen’importequel
séjourdansunétablissementdusupérieurpourmapart.Cesdébutsdanslemondedela
rechercheontétérichesetbénéfiques,scientifiquementethumainement.Sijemesuisautant
épanoui,instruitetamusépendantcesannées,c’estavanttoutgrâceauxpersonnesquej’ai
purencontreretàunenvironnementexceptionnel.
Lelaboratoirequim’aaccueillipourcettethèse,leLAAS,avecJeanArlatàlabarre,atoujours
réunidesconditionsidéalespourletravail(grandeinterdisciplinarité,équipementrécent
et de qualité) mais aussi pour le reste. C’est particulièrement vrai au sein de notre grand
thème-équipeN2I/N2IS,àlatêtedesquelssesontsuccédésCaroleRossi,Jean-YvesFourniol
et Georges Landa. La diversité des membres et des sujets de recherche ont participé à la
richessedenoséchanges,aulaboratoirecommeàl’extérieur.
C’estàAnne-MarieGuéquejedoismespremierspasdanslarecherche.Ellem’aaccordésa
confianceentantquestagiaireetplustardentantquethésard.Toutenétanthabiledans
l’équilibredesesfonctionsdedirectionetvice-direction(derecherchesetdulaboratoire
respectivement),elleatoujoursétédisponibleetàl’écoute.Savued’ensembleetsesconseils
ontsouventétéutiles,etquandlesrésultatsoumanuscrittardaientàarriver,ellen’ajamais
cesséd’employerunedesesplusgrandesqualités:lapatience!ParailleursAnne-Mariem’a
proposédeparticiperàplusieursséminairesetconférences,dontcertainesassezloin,j’ai
adoréparticiperàcesmissions,partagerdebellesexpériencesetj’engarderaid’excellents
souvenirs.
StéphanieDescroixetOlivierThéodolyontvaillammentaccepté,malgrédefortescontraintes
detemps,d’évaluerletravaildethèseetmonmanuscritenétantrapporteurs.AurélienDaynès
etPascalSwiderontégalementacceptédefairepartiedujury.Lesretoursquej’aiobtenusont
étéutiles,m’ontpermisdeprendredurecul,etj’aiaufinalvraimentappréciénotreinteraction.
Latransmissiondeconnaissancesetdetechniquesestfondamentaleendébutdethèse,no-
tamment lorsque le projet s’inscrit dans la continuité d’autres travaux. Sébastien Cargou,
précédentdoctorantd’Anne-MarieGué,asuprendreletempspourmeformeretm’inculquer
sonamourdelapaillassepropre.Sonénergie,sonoriginalitéetsestalentsculinairesétaient
toujourslesbienvenus.RémiCourson,orfèvreenmicrotechnologies,aétémonmentoren
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Remerciements
salleblanche.J’aibeaucoupapprisdelui,etsanssontravailousesconseils,cettethèsen’exis-
teraitpas.Jeregretteraisajovialitéetlesdébutsdedécoupagedefilmssecsauscalpel...
Leprojetderecherchedanslequels’inscrivaitcettethèse,Digidiag,apermisplusieurscollabo-
rationsetéchangesintéressantsetfructueux,entreautresavecnospartenairesdulaboratoire
PharmaDev(IRD,Toulouse):RémiManczak,ThiThuVu,KarineReybieretJanSudor.
Unepartieconséquentedelathèseestconsacréeàlafabricationdepucesmicrofluidiques,
leLAASestdotéd’uneplateformedemicrotechnologiesbienéquipée,etl’aideduservice
TEAMaétécapitale.Plusspécifiquement,nospucesn’auraientpuvoirlejoursansl’aide
deVéroniqueConédéra,poursesnombreuxconseils,ainsiqueLaurentMazenqetAdrian
Laborde(photolithographie),DavidBourrieretSylvianeBaster(croissancesélectrolytiques),
LudovicSalvagnacetGuillaumeLibaude(métallisations),Pierre-FrançoisCalmonetVinciane
Luque(conceptiondesmasques),FabienMesnilgrante(traitementsdesurface),DavidColin
etSamuelCharlot(découpedespucesetconseilsd’intégration)etenfinBenjaminReig(for-
mationauMEBetcaractérisation).
Afindecaractériserlespucesetmettreenplacelesexpériences,j’aiégalementpubénéficier
dusoutienformidabledeCharlineBlatché(quim’ainitiéàlaculturecellulaire-etàmettre
mablouse),SandrineAssie-Souleille,etNicolasMauran.Tousleschefs-d’œuvremécaniques
(supportsdepuce)etlesidéesassociéesontétéfournisparXavierDollat.Laréalisationd’une
carteélectronique(contrôleencourant)aéténécessairependantlathèse,j’aireçul’aide
précieusedeChristopheEscribaetFabriceMathieu(conceptionetcomposants),deDaniel
Médale(routage),etdeXavierBouquet(placements,soudures).
Bienévidemmentl’expériencedelathèsepasseaussiparlesinteractionsquotidiennes,en
premierlieuavecnotregénialeéquipedemicrofluidiciens.LesdiscussionsavecAurélien
Bancaud,desciencesoud’autres,m’ontfaitréfléchir,m’ontmotivé,ellesvontmemanquer.
Aurélienéchangelibrementsursestravaux(c’estagréable!),etm’apermisdeparticiperà
certains.Ilacontribuéàaméliorermavisionglobaledelarecherchedanslevivant,etm’a
indiquédespistesintéressantespourdespost-doc,sonaidefutprécieuse.Letravailavec
PierreJosephaégalementétéunechance,Pierres’esttoujoursmontrédisponiblemalgré
unemploidutempschargéetlescontraintesgéographiques,etaudelàdutravailquifut
intéressantetfructueux,jegardedetrèsbonssouvenirsdetouslesmomentspassésensemble.
MaudMader,incarnationdurocketduchicdanslarecherche,aacceptéquel’onpublienos
travauxensembleetm’adonnéunsacrécoupdepouce,jen’oublieraipas!J’auraibiensûr
plaisiràmerappelertousmescollèguesetamisquiontsurendrecesannéesjoyeuseset
faciles:SébastienMéance(camaradeetbibleinformatique,j’espèrequelacohabitationn’a
pasététroplongue;),VincentPicot(tonhumourm’asouventdépassé,maisilmemanque),
StéphanePinon(quipréparelemondededemain),HubertRanchon(monmodèle),Loïc
Recoules(championDTC...bonnechanceaupaysdescaribous),AnaTrapaidze(toujours
courageuseettrèsamicale:),JorisLacroix(quim’atropsouventlaisségagnéaufootenligne),
AntoineNaillon(mondeuxièmemodèle:),RémiMalbec(manipulel’ADNaussibienque
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Remerciements
lesballesdetennis;),MariusSocol(saitéleverdespoulesetledegrédeconnaissancesdes
personnes l’environnant, dans l’humour et la gentillesse), Sandrine Pélofy (le savoir faire
du 2 couleurs repose sur toi i, Cyril Renault-Sentenac (sait donner le rythme à un match
deping-pong;),ClémentRoux(toujoursaussicooletcurieux),CatherineAfatsawo(katie
katoche...stagiaireprincesse;),SabriIraïn(joyeuxsportif),AmelZedek(adorable,tuamènes
unpeudedouceurdanscemondeféroce),AmaniMigaou(tufaiséquipeavecAmel!),Zineb
Yanha(quiaprèsm’avoirsupportédesmoisnousamenaisquandmêmedescornesdegazelles
succulentes),OtmanMaalal(aussisympaquediscret),etledernierarrivéVassiliosTastsidis
(goodluckandenjoyyourmicrofluidicsexperience).
Bienquelamicrofluidiqueaitétéaucoeurdemesactivités,ilyavaitheureusementdefor-
midablespersonnesaulaboratoirepourmefairedécouvrird’autresfacettesdelarecherche
etvarierlesdiscussions!AnneHemerycketMarieBrutonttoujoursœuvrépourlabonne
ambiance,l’organisationdesréunions,laviedugroupevousdoitbeaucoup.Sij’aiaussibien
étéaccueillidanscetteéquipe,c’estaussigrâceàCloéLanthony(onafinideboiretonhéri-
tage),Jean-MarieDucéré(uneautreencyclopédievivante...àquandlacréationd’unstatut
demi-permanent?;),GuillaumeTaton(Monsieurgénial;),MedhiBahrami(lemystérieux!),
AdrienRamond(saitmieuxfairedurollerquesonsosieRobertDowneyJr.),LudovicGlavier
(Monsieurparfait?aussidévouépoursescollèguesquepourréussirsonswing),ThéoCalais
(interprètehorspairpourmesblaguesincomprises),MathildeGuiltat(topchefpâtissière),
SabehaZedek(rayonnanteetassiduesurlaglace:),WenliChen(souventdébordanted’énergie
etd’humour,tum’asbiensauvépourmonpotdethèse!).JerepenseaussiàVincent,Lorena,
Andrea,Nicolas,Andrès,Mahamadou,Marie,Pattamonn,YingNing,Jean...êtreexhaustifme
seraitbienimpossible.
Jevousremercietousd’avoircréécesconditionsidéales,etcesnombreuxsouvenirsquivont
m’accompagnerlongtempsj’espère.
L’essencedemamotivation,cesontmesprochesquimel’apportentauquotidien.Qu’ils
soientàToulouse,àParis,àSingapour,àBoston,enCalifornieouailleurs,jetiensàremercier
mesamispourtouslesmoments(parfoistropcourts)passésensembleetpourleursencoura-
gements.Merciinfinimentàmafamillequiatoujoursétélàpourmoi.Àmasœur,quim’asi
souventmontrélechemin,etàmesparents,quinousontconsacrétantdetempsetd’énergie,
etencouragéàfairecequel’onaime:mercipourvotresoutienetvotreamour.FinallyIwant
tothankChristy,whosupportedmeeverydaydespitethedistance,mademylifehappier,
moreexciting,andkeepsmotivatingme.
Toulouse,Avril2016 Marc
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Abstract
Microfluidicchipsarekeyelementsforsolutionsandbiologicalsampleshandlingandanalysis.
Theyareenablersformicro-scalestudiesandarethecornerstoneoflabonchips,atthecutting
edgeofmedicaldiagnostics.Theaimofthisthesisworkwastoexplorefunctionalpossibili-
tiesofferedby3Dmicrofluidicarchitecturesforthedevelopmentofdiagnostictoolsrelying
oncellsorting,taggingandhandling.Thesefunctionswereinvestigatedonmonocytessub-
populations,whicharemarkersformanyinflammatorydiseases.Inordertocoveraconsistent
seriesofnecessarystepsforcomplexbiologicalsamplespretreatment,threeadditionalfunc-
tionswerestudied:sizesortingwithhydrodynamicfiltration,immuno-isolationbymagnetic
separation,andon-chiptaggingwithmagneticmicroparticles.Toperformtaggingreactions,
amicromixerbasedondiffusionandflowsplitandrecombination(baker’stransform)wasfa-
bricatedandcharacterized.Analytical(diffusion)andnumerical(diffusion-advection)models
areshowed,togetherwithtestexperimentsonthedevicesformixingreactionsoffluorescein/-
waterandcells/microbeads.Newapproachesofhydrodynamicfiltrationbasedsizesorting
wereinvestigatedbydevising3Dbypassstructures,thatallowdevelopingamixingstrategy
(taggingreactions)suitedtocellsandparticles.Ananalyticalmodelforflowsandsorting
efficiencyisintroducedandcomparedtothedevicescharacterization.Furthermore,itwas
shownthatthisapproachalsoenablessortingofsub-micronparticles(likebloodmicropar-
ticles).All3Dmicrofluidicsystemswereobtainedthankstoanoriginaldryfilmphotoresist
stacking(lamination)technique,dramaticallyreducingmicro-fabricationtime,eventhough
compatiblewithstandardprocess.Thisfabricationtechniquealsoenablesmagneticmicro-
sourcesintegrationinlabonchipsbyrealizingplanarmicro-coilsunderneathmicrofluidic
channels.Bycouplingtheeffectsofintegratedmicro-coilstothefieldsgeneratedbyexternal
magnets,webroughttheproofofconceptofsystemsdedicatedtotrapping,focusingand
separating(inflow)magneticmicrobeads.Models(magneticfieldsandforces)aredescribed
alongwithdevicescharacterization.Conceptionofspecificinstrumentation(currentsource)
formicro-coilsactuationisalsoshown,asitallowstimeandintensitycontroloverapplied
magneticfields.
Keywords:
3DMicrofluidics-Dryfilm-Cellsorting-Magnetophoresis-Hydrodynamicseparation
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Résumé
Lespucesmicrofluidiquessontdesélémentscléspourlamanipulationetl’analysedesolu-
tionsetd’échantillonsbiologiques.Ellesfacilitentlesétudesauxéchellesmicroscopiqueset
sontlefondementduconceptdelaboratoiresurpuce,àlapointedesdiagnosticsmédicaux.
L’objectifdecestravauxdethèseaétéd’explorerlespossibilitésfonctionnellesoffertespar
lesarchitecturesmicrofluidiques3D,danslecadredudéveloppementd’outilsdiagnostiques
reposantsurletri,lemarquageetlamanipulationdecellules.Cesfonctionsontétévalidées
surdessous-populationsdemonocytes,quisontdesmarqueursdemaladiesinflammatoires.
Afindecouvrirunechaînecohérented’étapesnécessairesauprétraitementdeséchantillons
biologiquescomplexes,troisfonctionscomplémentairesontétéétudiées:letripartaillepar
filtrationhydrodynamique,letriimmunologiqueparséparationmagnétiqueetlemarquage
surpuceparmicroparticulesmagnétiques.Envued’effectuerdesréactionsdemarquage
(sondesfluorescentesoumicrobillesmagnétiques),unmicro-mélangeurreposantsurlasépa-
rationetrecombinaisondeflux(transformationduboulanger)aétéfabriquéetcaractérisé.
Desexpériencesdetestdesdispositifspourlesmélangesfluorescéine/eauetcellules/micro-
billessontproposées,ainsiquelesmodèlesanalytiquesetnumériquesassociés.Denouvelles
approchesdetripartailleparfiltrationhydrodynamiqueontétéétudiées,enréalisantdes
structures3Den"bypass",quirendentpossibleunestratégiedemélangeadaptéeauxcellules
etparticules.Unmodèleanalytiquedesécoulementsetdel’efficacitédetrietdemélangeest
proposé,ainsiqu’unecaractérisationdesdispositifs.Ilaétédeplusdémontréquecetteap-
prochepermettaitégalementderéaliserlaséparationd’espècessub-micrométriquescomme
les microparticules sanguines. Tous les systèmes microfluidiques 3D ont été obtenus par
unetechniqueoriginaled’empilement(laminage)defilmssecsphotosensibles,réduisant
nettementletempsdemicro-fabricationetcompatiblesaveclesprocédésstandards.Cette
techniquedefabricationpermetégalementl’intégrationdemicro-sourcesmagnétiquesdans
leslaboratoiressurpuceparlaréalisationdemicro-bobinesplanairessousdescanauxmicro-
fluidiques.Encouplantleseffetsdesmicro-bobinesintégréesauxchampsgénéréspardes
aimantsextérieurs,nousapportonslapreuvedeconceptdesystèmespourlaséparation,la
déviationetlepiégeagedemicrobillesmagnétiques.Lesmodèles(champsetforcemagné-
tiques)etlacaractérisationdesdispositifsserontprésentés.Nousaborderonségalementla
réalisationd’instrumentationspécifique(sourcedecourant)pourl’actionnementdesbobines,
permettantlecontrôle(temporeletenintensité)deschampsmagnétiquesappliqués.
Motsclefs:
Microfluidique3D-Filmsec-Tricellulaire-Magnétophorèse-Séparationhydrodynamique
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