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Laboratoire sur puce basé sur des technologies hybrides pour la manipulation et la caractérisation de fluides biologiques – AWESOM

Manipuler et caractériser des fluides biologiques avec des nano tremblements de terre et des lasers

L’objectif de ce projet est de développer un laboratoire sur puce multifonction couplant des actionneurs à ondes acoustiques de surface de Rayleigh et des capteurs à onde de Love et SPR permettant à la fois de manipuler et de caractériser des fluides biologiques.

Développement d’un laboratoire sur puce pour la manipulation et la caractérisation de fluides biologiques

Les laboratoires sur puce visent à miniaturiser et intégrer des fonctions de laboratoire sur une puce au format d’une puce informatique. Cette réduction d’échelle permet de réduire la taille des échantillons manipulés, de paralléliser massivement les opérations et de mieux contrôler les conditions expérimentales. L’objectif de ce projet était de concevoir, réaliser et d’optimiser un laboratoire sur puce hybride couplant des actionneurs et des biocapteurs, permettant de manipuler et de caractériser des milieux biologiques, tels que des cellules, des fluides biologiques ou des microorganismes. La caractérisation des fluides biologiques est en effet un enjeu majeur pour le développement de nouveaux médicaments, la sécurité alimentaire, la réalisation de tests cliniques ou encore la détection de pathologies telles que le cancer. Nous avons donc premièrement réalisé une plateforme de manipulation multifonction basée sur des nano-tremblements de terre produits à la surface d’un matériau piezoélectrique. Cette plateforme multifonction permet de réaliser toutes les opérations nécessaires pour un laboratoire sur puce : déplacement contrôlé d’échantillons de fluide, division, fusion de gouttes posées ou encapsulées dans des microcanaux, manipulation sélective ou tri de particules et de cellules, … En parallèle, nous avons développé et breveté un nouveau concept de pince acoustique extrêmement épurée (dans son design, sa fabrication et donc son coût), facilement intégrable à un microscope et qui permet (en adaptant la longueur d’onde) la manipulation sans contact de particules ou cellules ayant des tailles allant du millimètre à la centaine de nanomètres. Enfin nous avons développé et testé des biocapteurs compatibles avec ces actionneurs permettant de caractériser des fluides biologiques.

D’un point de vue de l’actionnement, il avait été montré dans de nombreuses publications que les ondes de surface de Rayleigh (des vibrations se propageant à la surface d’un milieu solide) permettaient de réaliser quasiment toutes les opérations microfluidiques nécessaires pour la constitution d’un laboratoire sur puce. Néanmoins, chaque opération était réalisée avec différents types d’ondes de surface (focalisées, planes,…) générées à l’aide de transducteurs spécifiques adaptés à chacune des fonctionnalités. Or dans un laboratoire sur puce, plusieurs de ces fonctions peuvent être simultanément requises. Nous avons donc développé une plateforme basée sur un réseau de 32 transducteurs interdigités pilotés par une électronique programmable et la méthode du filtre inverse permettant de synthétiser n’importe quelle onde de surface et donc de réaliser toutes les opérations démontrées dans la littérature avec un dispositif unique. Nous avons démontré les possibilités considérables de cette plateforme même si celle-ci restait néanmoins relativement complexe dans sa conception et sa mise en oeuvre. Comme il n’existait pas dans la littérature de pince acoustique permettant de manipuler sélectivement des particules avec un dispositif simple et intégrable, nous avons donc en parallèle montré qu’il était possible de réaliser de telles pinces avec de simples électrodes en spirales déposées à la surface d’un matériau piezoelectrique. Celles-ci génèrent des ondes hélicoïdales appelées vortex acoustiques qui permettent de piéger les particules via la pression de radiation au centre du vortex. Enfin, un grand défi était de développer des biocapteurs à ondes de Love et SPR compatibles avec ces actionneurs et de montrer comment les actionneurs pouvaient être combinés au capteurs pour améliorer la détection.

Résultats majeurs du projet :
• Développement de pinces acoustiques miniaturisées basées sur des ondes de surface tourbillonaires générées à l’aide de transducteurs en spirale permettant la manipulation sans contact et sélective de particules ou cellules contenues dans un échantillon de liquide. Cette technologie a été brevetée (2 brevets internationaux), et fait l’objet d’un programme de maturation financée par la SATT NORD de 315k€. Cette pince a fait l’objet d’un highlight dans le blog « Physics Buzz » de l’American Physical Society.
• Développement d’une plateforme d’actionnement multifonction basée sur un réseau de transducteurs interdigités, une électronique programmable et la méthode du filtre inverse permettant de réaliser de nombreuses opérations microfluidiques avec un unique système. Ce dispositif a fait l’objet d’un dépôt de brevet international.
• Développement d’une plateforme mixte d’actionnement par onde de surface de Rayleigh couplée à des biocapteurs à ondes de Love et SPR.
• Développement d’outils théoriques et numériques permettant de calculer les écoulements (streaming acoustique) produits à l’intérieur d’un échantillon de fluide par des ondes acoustiques de surface simples (ondes planes) ou complexes (ondes de surface tourbillonaires).

Au cours de ce projet nous avons (i) développé une plateforme microfluidique multifonction basée sur les ondes de surface, un réseau de transducteur interdigités et la méthode du filtre inverse et démontrer les capacités de cette plateforme à réaliser des opérations aussi diverses que le déplacement contrôlé, la division et l’atomisation d’une goutte posée, ou encore le piégeage et la manipulation de particules microscopiques ; (ii) développé une nouvelle pince acoustique miniaturisée, facilement intégrable et bas coût basée sur les ondes de surface tourbillonnaires et permettant la manipulation sélective de particules micrométriques avec des forces plusieurs ordres de grandeur supérieures par rapport aux pinces optiques ; (iii) développé des éléments théoriques fondamentaux et de nouvelles méthodes numériques permettant de calculer les écoulements 3D créés par des ondes de surface complexe dans des cavités pouvant elle aussi être complexes ; et enfin (iv) montrer la possibilité de coupler des capteurs à Ondes de Love et SPR avec des actionneurs à ondes de Rayleigh sur le même laboratoire sur puce. En plus des nombreux articles publiés, la plupart des avancées technologiques ont été brevetés, et un projet SATT de 350 k€ a été obtenu pour faire maturer les technologies de pinces acoustiques sélectives. Une des grandes perspectives de ce projet est donc de travailler sur l’amélioration de ces pinces, et sur les applications potentielles dans le domaine de la biologie cellulaire, la santé, la microfluidique ou encore l’assemblage de microsystèmes. Un deuxième objectif est de poursuivre les études scientifiques sur les ondes acoustiques de surface tourbillonnaires et les écoulements et ou pièges acoustiques qu’elles permettent de produire via les effets non linéaires de pression de radiation et de streaming acoustique.

Ce projet a abouti à la rédaction de 13 publications (9 acceptées à ce jour dans des revues internationales de rang A, 2 soumises, 2 en fin de rédaction) dans des revues majeures (Phys. Rev. Appl., Lab on Chip, Phys. Rev. E, IEEE Trans. Ultras. Ferr., Nan

Le présent projet, combinant recherche fondamentale et développement expérimental, porte sur la conception, la réalisation et l'optimisation d'un laboratoire sur puce hybride, couplant des actionneurs et des bio-capteurs pour le contrôle actif et une caractérisation large bande des fluides biologiques.
L'objectif principal des laboratoires sur puce est la miniaturisation et l'intégration de fonctionnalités de laboratoire biologique sur une puce électronique. Cette réduction d'échelle permet de réduire le volume de réactif nécessaire, de paralléliser massivement les expériences et d'obtenir un meilleur contrôle des procédés. Du point de vue d'une perspective d'application industrielle, cela entraînera une réduction substantielle des coûts, augmentera la productivité et réduira l'impact environnemental. Ces avantages sont des plus intéressants pour des applications biomédicales.
Du point de vue scientifique, la conception d'un laboratoire sur puce dédié aux fluides biologiques soulève plusieurs problèmes théoriques et technologiques :
- Certains bio-capteurs (comme les bio-capteurs à Résonance de Plasmons de Surface (SPR en anglais)) sont extrêmement sensibles aux variations de température. Il est donc nécessaire de manipuler les fluides biologiques dans une gamme de température très étroite.
- Un deuxième problème est de savoir comment contrôler des échantillons de fluides biologiques à la fois en temps réel et de manière précise et adaptative. Les ondes de Rayleigh (R-SAW), des ondes acoustiques de surface, représentent un outil versatile pour le déplacement, l'atomisation et le mélange de fluides placés aussi bien sur la surface d'un substrat solide, que confinés.
Cependant, l'actionnement à l'aide d'ondes acoustiques peut provoquer une augmentation significative de la température du fluide, et tout particulièrement lorsque ce dernier est fortement visqueux.
Ainsi, la miniaturisation et le couplage de différents bio-capteurs (tels que des bio-capteurs à SPR, des micro-calorimètres, et des capteurs à ondes de Love (L-SAW)) et d'actionneurs à ondes de Rayleigh sur une même puce nécessitent de nouveaux travaux de recherche.
Dans ce projet, nous nous proposons donc de:
1) Etudier en profondeur les phénomènes physiques intervenants dans l'actionnement de fluide par ondes de Rayleigh (et tout particulièrement le couplage non-linéaire acousto-fluidique) afin de pouvoir proposer des manières efficaces et originales de contrôler très précisément le déplacement, le mélange et l'atomisation de fluides biologiques, tout en limitant l'augmentation de leur température.
2) Développer une électronique programmable permettant de contrôler en temps réel les déplacements et la caractérisation de fluides biologiques grâce la génération de fronts d'onde complexes.
3) La conception et l'optimisation d'une plateforme unique permettant simultanément la manipulation et la mesure d'un grand nombre de paramètres physiques (température, pression, viscosité, cinétique de liaison, caractéristiques structurelles des molécules biologiques) de gouttes micrométriques de fluides biologiques grâce à l'intégration et au couplage de bio-capteurs SPR, L-SAW et de micro-calorimètres.
Ce projet scientifique transverse, et possédant un fort potentiel d'applications industrielles, bénéficiera de la synergie créée par la mise en réseau d'experts en acoustique, en micro-fluidique, en électronique, en micro- et nano-technologies et en bio-physique. Ce consortium, unique, permettra de traiter à la fois les aspects fondamentaux et technologiques de ce sujet. Le groupe ainsi constitué, pourra bénéficier des compétences et des moyens technologiques les plus performants (salles blanches, plateformes de caractérisation) du LN2 (UMI-CNRS 3463) et des autres Instituts impliqués dans le projet.

Coordinateur du projet

Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie (Laboratoire public)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie
Institut des NanoSciences de Paris

Aide de l'ANR 531 999 euros
Début et durée du projet scientifique : novembre 2012 - 48 Mois

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