Systèmes microfluidiques sur support souple et étirable

par Florian Pineda

Thèse de doctorat en Physique pour les sciences du vivant

Soutenue le 16-11-2015

à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Laurent Davoust.

Le jury était composé de Teodor Veres.

Les rapporteurs étaient Christophe Vieu, Philippe Combette.


  • Résumé

    Les matériaux élastomères hyper élastiques offrent aux domaines des capteurs, des antennes radio fréquences et des soft robots de nouvelles opportunités en termes de déformabilité. Le but de ce travail est d'étudier un matériau élastomère hyper élastique appelé Ecoflex et de l'intégrer à des systèmes microfluidiques en exploitant ses caractéristiques mécaniques particulières.Dans un premier temps, les propriétés mécaniques de ce matériau ont été caractérisées par des expériences de soufflages membranaires. Par la suite des outils de modélisation mécanique basés sur le modèle phénoménologique de Mooney-Rivlin ont été étudiés et validés. Deux exemples d'applications ont été développés.Une première famille de système concerne des capteurs de grandes déformations. Ces capteurs électro fluidiques combinent les propriétés hyper élastiques de l'Ecoflex et les propriétés électriques du Galinstan qui est un métal liquide à température ambiante : une résistance électrique est formée par un canal moulé dans l'Ecoflex et rempli du liquide conducteur. Une déformation du capteur induit une modification de la géométrie du canal et donc une variation de résistance. Les caractérisations réalisées sur ces capteurs ont montré leur capacité à mesurer des étirements très importants avec un comportement réversible et sans rupture de contact électrique. Des taux d'élongation de 400 %, entrainant une variation de résistance de 800% ont ainsi été obtenus. Les résultats suivant la géométrie des capteurs sont discutés en utilisant des outils de modélisations.La deuxième famille de système concerne les laboratoires sur puce avec la fabrication de réservoirs déformables pouvant être intégrés à des composants fluidiques. Inspirés des tests de soufflage membranaire, ces réservoirs peuvent embarquer des volumes allant de quelques dizaines de microlitres à quelques millilitres de réactifs tout en ayant un encombrement minimum. L'élasticité des membranes permet de pressuriser naturellement le réservoir et une méthode simple de détection de la forme du réservoir permet de connaitre à tout moment le volume interne de celui-ci. Couplés à un système de vannes pneumatiques, ces réservoirs permettent d'injecter précisément un volume de fluide dans un réseau microfluidique. Différents exemples de composants ont été développés, allant du réservoir simple pour les caractérisations, à des cartes intégrants plusieurs réservoirs en vue d'effectuer des protocoles complexes, tel une dilution programmable ou un test ELISA.

  • Titre traduit

    Microfluidic systems on flexible and stretchable support


  • Résumé

    Mechanical properties of hyper elastic elastomers provide new opportunities to captors, radio frequencies antennas and soft robots. This work is focused on the study of a hyper elastic material called Ecoflex and on its integration in microfluidic systems using its exceptional mechanical properties.First, material's mechanical properties were investigated during membrane blowing experiments. Simulations based on the phenomenological model of Mooney-Rivlin were developed and validated. These results were useful to the development of two applications.First application of hyper elastic system is an elongation sensor. Electro fluidic sensors combine Ecoflex's hyper elastic properties and Galinstan's electrical properties. Galinstan is a metallic alloy which is liquid at room temperature. A microchannel molded in the elastomer and filled with the liquid metal form an electrical resistance. Sensor's deformation induces a geometrical change into the channel and therefore a variation of the electrical resistance. Characterization tests performed on these sensors showed capabilities to measure large elongations and reversibly without loss of electrical contact. An elongation of the sensor's length by a factor 4 involves an increase of the electrical resistance by a factor 8 providing a good sensibility of the system. Results according to the sensor's geometry are discussed using simulation tools, analytical study and experimental data.Second application is the development of hyper elastic reservoirs integrated into microfluidic cards. Inspired from membrane blowing tests, they are able to store volumes from few microliters to milliliters of reagents without taking too much place on the microfluidic cards' surface. Membranes' elasticity naturally pressurizes the reservoir when it is filled and a simple optical edge detection method gives the internal volume in real time. Combined with pneumatic valves these reservoirs inject precise volumes into a microfluidic network. Different microfluidic systems were developed, a simple reservoir with two valves for the characterizations and cards with multiple reservoirs to realize complex protocols like on demand dilution or automated ELISA test.


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