FIGURE 1.29: Images d’une marice de spots immobilisés en anticorps (a) avant et (b) après le rinçage acoustique. Matrice de spots d’antigène (c) immobilisés de façons spécifique et non spécifique (d) après le rinçage acoustique - Extrait de [20]
1.3 Présentation de la thèse
Ce travail de thèse a été effectué dans l’équipe " Microsystèmes Multiphysiques (MIMU) " du dépar- tement Micro Nano Sciences et Systèmes (MN2S) de l’Institut FEMTO-ST (Besançon). Comme son intitulé le résume, notre équipe développe des microsystèmes multiphysiques complexes et innovants, intégrant des fonctions avancées en optique, mécanique, acoustiques, thermiques et biochimiques. Ces travaux sont est à cheval entre les deux activités : "microsystèmes pour le biomédical ", plus particulière- ment concernant le greffage moléculaire et "microcomposants fluidiques", dans le cadre des interactions vibro-acoustique avec les fluides.
Pour fixer en parallèle des milliers de biomolécules (ADN, ARN, protéines, etc.) à la surface des puces à ADN (biopuces) ou à protéines, plusieurs techniques sont possibles, selon la biomolécule à fixer et la nature du support, elle-même conditionnée par la méthode de détection utilisée. L’immobilisation de biomolécules sur une puce en utilisant la microfluidique continue (via des microcanaux) présente l’avantage d’un greffage en mode dynamique. Dans ce mode, les biomolécules sont continuellement transportées avec un débit constant à proximité de la puce à travers les microcanaux.
La volonté continue d’augmenter le nombre des zones immobilisées est adaptée au domaine de la mi- crofluidique discrète pour cette fonction biologique. En effet, en mode spotting (simple dépôt de gouttes
contenant les biomolécules) le nombre de zones immobilisées est uniquement limité par le volume de liquide minimum pouvant être déposé. Cependant, en choisissant cette méthode fluidique discrète, on doit souvent renoncer à l’aspect dynamique de la réaction : le greffage s’effectue ainsi en mode passif. L’objectif de ce travail est de créer une dynamique à l’intérieur d’un ensemble de gouttes porteuses des biomolécules durant l’opération de greffage moléculaire. Pour cela, nous avons choisi d’employer un microdispositif d’activation du mélange (ou micromélangeur) basé sur un générateur de vibrations de basse fréquence permettant de créer simultanément des écoulements dans plusieurs gouttes.
Le générateur de vibration utilise l’effet piézoélectrique pour imposer la vibration d’une membrane au- tour d’un mode de résonance bien défini. Il se différencie par rapport aux dispositifs à ondes de surface (utilisant également l’effet piézoélectrique) par l’emploi des basses fréquences, la simplicité de sa réali- sation, son moindre coût, et surtout la possibilité de structuration de sa surface active (sa membrane en vibration).
Ce mémoire présente les travaux de recherche concernant la conception, la réalisation et la caractérisation de générateurs de vibration dans le but d’introduire des écoulements dans les liquides et plus particuliè- rement dans des microgouttes. Pour cela, un modèle de l’interaction vibro-acoustique avec le liquide est proposé afin de retrouver les formes et estimer les vitesses d’écoulement. Ensuite, un micromélangeur est conçu en adéquation avec l’application biologique en vue et a été testé dans le domaine du greffage moléculaire.
Le chapitre 1 situe la technique de génération d’écoulement dans le liquide via une vibration de basse fréquence par rapport à différents principes physiques pouvant créer des flux dans les gouttes ou encore de les mélanger. Nous donnons ensuite quelques exemples des mélangeurs ayant trouvé application dans le domaine du greffage moléculaire. Ceci nous a permis d’estimer la faisabilité de l’application sou- haitée, de mettre en avant l’originalité de l’utilisation du transducteur dans ce domaine et de cerner les différentes difficultés pouvant surgir lors de l’expérimentation, comme à titre d’exemple la variation de la température du liquide.
Le chapitre 2 s’attache plus particulièrement à la conception, la fabrication, et la caractérisation des générateurs de vibrations développés. Notre conception des transducteurs se base sur une modélisation ANSYS du couplage de l’élément piézoélectrique massif avec une membrane. Ceci permet la déter- mination des modes et des fréquences de vibration pour une géométrie donnée. Nous avons utilisé ces modélisations pour déterminer la structuration adéquate de la membrane qui répondrait au mieux au cahier des charges sans augmenter excessivement les fréquences de vibration mises en jeu. Nous présen- tons les étapes micro-technologiques que nous avons développés pour la fabrication du transducteur en mettant en avant les difficultés et les raisons de nos différents choix. Nous avons, par la suite, caractérisé le dispositif quant à son mode de vibration, sa capacité de mélange et la variation de température qu’il induit dans le liquide étant donnée la sensibilité, des applications biologiques à cette variable. Pour une telle caractérisation, nous avons été amenés à collaborer avec le Département de Mécanique Appliquée de l’institut FEMTO-ST, pour réaliser des mesures de température dans le liquide par thermographie
1.3. Présentation de la thèse
infrarouge IR.
Le chapitre 3 est dédié à la modélisation de l’interaction d’une vibration de basse fréquence avec le li- quide. Nous nous intéressons au cas d’un liquide confiné entre deux surfaces solides dont une est animée d’une vibration sinusoïdale de basse fréquence. Pour décrire mathématiquement le problème physique, nous nous sommes appuyés sur les développements asymptotiques au second ordre des variables des équations de Navier-Stokes. Puis, nous avons développé une modélisation numérique avec une méthode de type éléments finis que nous avons implémentée en utilisant le logiciel Comsol. Notre modélisation numérique décrit trois cas de figures. Dans un premier temps, nous avons simulé le cas d’une couche "infinie" d’air et nous avons comparé nos résultats à une étude similaire établie par Wan [44]. Ensuite, nous nous sommes intéressés au cas d’une section de liquide entourée d’air qui approche au mieux les conditions expérimentales de la manipulation biologique. Nous avons également modélisé le cas d’une couche infinie de liquide pour établir une comparaison avec les résultats analytiques annoncés dans les travaux précédents effectués au sein de notre laboratoire [45–47].
L’application du micromélangeur au greffage moléculaire fait l’objet du chapitre 5. Pour activer le mé- lange dans une matrice de gouttes durant l’opération de greffage moléculaire, nous positionnons la puce à immobiliser en contact avec la surface supérieure de la matrice des gouttes qui sont préalablement positionnées sur le générateur de vibration. La puce immobilisée obtenue est ensuite caractérisée avec l’instrument SPR. Ainsi, nous avons montré que l’agitation acoustique durant le greffage multiplie par trois la réponse antigénique des puces. Cette caractérisation postérieure à l’opération du greffage ne donne pas d’information sur l’influence de l’agitation sur la dynamique de la réaction. Nous avons ainsi été amené à collaborer avec le département temps/fréquence de l’institut FEMTO-ST qui développe des biocapteurs à ondes de Love. L’association de notre mélangeur avec ce biocapteur a permis une observa- tion temps-réel du greffage moléculaire. Nous présentons les effets de l’ agitation acoustique sur le taux de greffage mais aussi sur la dynamique de la réaction. Pour identifier les courbes expérimentales, nous nous sommes appuyés sur la loi de diffusion moléculaire, modifiée pour prendre en compte le transport des particules induit par l’agitation.
Ce dernier chapitre vise à montrer que l’utilisation de notre micromélangeur pour le greffage molécu- laire garantit une méthode simple, économique, qui peut se faire à l’air libre ou en milieu confiné, qui augmente le taux de molécules immobilisées, et qui réduit le temps de réaction à quelques dizaines de minutes au lieu d’un temps beaucoup plus long pour les autres méthodes, souvent complexes, en atmo- sphère contrôlée et avec des appareils spécifiques ou coûteux.