Micromanipulation de particules par diélectrophorèse : application au rangement matriciel et au tri de cellules sur puce

Dielectrophoretic particle micromanipulation : application to cell arraying and cell sorting

• Auteur / Autrice : Marie Frenea-Robin
• Direction : Bruno Le Pioufle
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Microsystèmes
• Date : Soutenance en 2003
• Etablissement(s) : Cachan, Ecole normale supérieure

Mots clés

Mots clés contrôlés

Circuits intégrés

Électrophorèse

Résumé

La diélectrophorèse se définit comme le mouvement d'une particule polarisable soumise à un champ électrique non uniforme. Cette technique peut s'employer pour la manipulation de micro-objets, en particulier pour le matriçage et le tri de cellules sur puce. L'étude de ce phénomène nous a permis de mettre en évidence ses multiples atouts face aux méthodes de micromanipulation concurrentes, mettant en jeu des forces optiques, acoustiques, magnétiques, mécaniques, fluidiques, etc. Nous avons mis au point une structure d'électrodes permettant le placement simultané de milliers de cellules en des zones précisément délimitées sur un substrat en silicium par diélectrophorèse négative. Des simulations numériques basées sur la méthode des éléments finis ont montré que l'emploi d'ensembles d'électrodes quadripolaires permettait l'obtention d'une cartographie de champ favorable à un micropositionnement précis de cellules isolées. Ces structures ont été réalisées en salle blanche, puis testées avec des micro-billes en latex et des cellules vivantes. En réunissant des conditions expérimentales adaptées (champ électrique, propriétés de la suspension cellulaire), nous avons pu disposer les cellules en réseau, chaque point du réseau hébergeant en moyenne une à deux cellules. Certains dispositifs ont été équipés de micro-puits afin de permettre le maintien des cellules en place après coupure du champ. Nous avons par ailleurs exploré les performances offertes par plusieurs géométries d'électrodes en matière de tri cellulaire. L'utilisation de la notion d'énergie potentielle nous a permis de montrer que les ensembles d'électrodes quadripolaires utilisés pour le micropositionnement des cellules constituaient également des structures adaptées pour le tri cellulaire par diélectrophorèse

Dielectrophoresis is the motion imparted on a polarisable particle under the influence of a non-uniform electric field. This technique can be used for on-chip cell positioning and cell sorting. The study of this phenomenon enabled us to point out its multiple advantages with respect to other micromanipulation techniques, involving optical, acoustic, magnetic, mechanic or fluidic forces. We have designed microelectrode structures allowing the regular and precise positioning of thousands of cells at the same time using negative dielectrophoresis. Numerical computations based on the finite element method showed that an adequate electric field cartography could be produced by quadrupole electrode sets. Those structures were first realised using standard microfabrication techniques, then tested with latex beads and living cells. By choosing appropriate experimental conditions (electric field parameters, medium properties), we managed to obtain a matrix arrangement of cells. Cells could also be directed toward small wells formed in silicon, where they remained after field removal. The comparison of the cell potential energy profiles obtained with several electrode geometries enabled us to show that the quadrupole electrode sets could also be used advantageously in cell sorting applications