Conception et modélisation pour le contrôle de trajectoire dans les puces microfluidiques : Application au tri cellulaire par diélectrophorèse

Design and modeling for trajectory control in microfluidic chips : Application to cell sorting by dielectrophoresis

• Auteur / Autrice : Vladimir Gauthier
• Direction : Michaël Gauthier, Aude Bolopion
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique
• Date : Soutenance le 18/12/2018
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université de Franche-Comté (1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Pierre Lambert
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michaël Gauthier, Aude Bolopion, Pierre Lambert, Christine Prelle, Marie Frenea-Robin, Zdenek Hurak
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christine Prelle, Marie Frenea-Robin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microrobots

Diélectrophorèse

Mots clés libres

Micro-Robotique

Diélectrophorèse

Laboratoire sur puce

Tri cellulaire

Modélisation

Fabrication

Micro-Robotic

Diélectrophoresis

Lab-On-Chip

Cell sorting

Design

Manufacturing

Résumé

Cette thèse propose d'intégrer les principes de la micro-robotique dans un laboratoire sur puce afin d'améliorer les performances du tri cellulaire par diélectrophorèse. Contrôler la trajectoire des cellules dans une puce fluidique en temps réel nécessite de reconcevoir la puce, la modéliser et développer des lois de commande dédiées au contrôle en temps réel. Concernant la conception, cette thèse s’intéresse au compromis existant entre la vitesse de tri et les problématiques de suivi des cellules en temps réel. Une architecture originale basée sur deux plans d’électrodes, sur les faces supérieures et inférieures des canaux, est proposée. Des procédés de fabrication dédiés à cette architecture sont développés. En particulier, la fabrication d'électrodes transparentes et l'assemblage des deux réseaux d'électrodes parallèles sont étudiés. Concernant la modélisation, une formulation analytique du champ électrique découplant variables de commande, termes dépendant de la position de l’objet et termes dépendant uniquement de la géométrie de la puce est proposée afin de calculer rapidement et précisément la force de diélectrophorèse. Une analyse de l'anisotropie des forces de frottement présentes à proximité des électrodes vient compléter la modélisation dynamique du comportement des microparticules, et donne lieu à un modèle compatible avec la commande temps réel, validé expérimentalement sur des objets artificiels. Enfin, un contrôleur basé sur des techniques d’optimisation ainsi qu’un planificateur de trajectoires sont proposés pour le tri de cellules. Un simulateur est développé et met en avant les bonnes performances de tri d’un tel système. L’ensemble de ces méthodes permettront de contrôler la trajectoire de cellules biologiques dans des puces de tri afin d’en améliorer la sélectivité et la rapidité.

This thesis proposes to integrate the principles of micro-robotics in a lab-on-a-chip in order to improve the performance of cell sorting by dielectrophoresis. Controlling the trajectory of cells in a fluidic chip in real time requires redesigning the chip, modeling it and developing control laws dedicated to real-time control. Concerning the design, this thesis is interested in the compromise existing between the speed of sorting and the problems of cell tracking in real time. An original architecture based on two electrode planes, on the upper and lower faces of the channels, is proposed. Manufacturing processes dedicated to this architecture are developed. In particular, the manufacture of transparent electrodes and the assembly of the two parallel electrode arrays are studied. Concerning the modeling, an analytical formulation of the electric field uncoupling control variables, terms depending on the position of the object and terms depending solely on the geometry of the chip is proposed in order to quickly and accurately calculate the dielectrophoresis force. An analysis of the anisotropy of the friction forces present near the electrodes completes the dynamic modeling of the behavior of the microparticles, and gives rise to a model compatible with real-time control, validated experimentally on artificial objects. Finally, a controller based on optimization techniques and a trajectory planner are proposed for cell sorting. A simulator is developed and highlights the good sorting performance of such a system. All of these methods will control the trajectory of biological cells in sorting chips to improve selectivity and speed.