Micro-impression 3D multi-matériaux de micro-robots magnétiques pour la manipulation de cellules à distance

3D multi-material micro-printing of magnetic micro-robots for remote manipulation of cells

• Auteur / Autrice : Roxane Petrot
• Direction : Orphée Cugat, Thibaut Devillers, Olivier Stéphan
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanoélectronique et nanotechnologie
• Date : Soutenance le 09/01/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Néel (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Skandar Basrour
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Akos Banyasz, Denis Barbier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Catherine Villard, Marie Frenea-Robin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Magnétisme

Polymères

Microrobots

Impression 3D

Mots clés libres

Magnétisme

Manipulation de cellules

Impression 3D microscopique

Micro-Robots

Magnetism

Cell manipulation

Micro-Robots

3D micro-Printing

Résumé

Les micro-robots magnétiques sont des structures 3D de taille inférieure au millimètre à actionnement magnétique, d'intérêt croissant pour des applications biologiques. Ici, nous nous intéressons au développement et à l'impression 3D de micro-robots magnétiques grâce à la polymérisation à deux photons pour la manipulation de cellules à distance.Deux sujets principaux ont été étudiés au cours de cette thèse. Tout d'abord, on cherche à développer un substrat de culture cellulaire imitant la paroi intestinale afin d'étudier la réponse de cellules à des changements de courbure. Pour ce faire, on imprime une micro-structure hybride que l'on déforme par actionnement magnétique. L'hybridation de deux matériaux dans la structure même permet de tirer avantage de leur propriétés respectives : le squelette interne est en Ormocomp (résine polymère), il apporte une structure stable, l'enveloppe en gélatine-collagène est souple et permet la culture de cellules. Enfin, on accroche une bille de NdFeB permettant de déformer la structure dans un champ magnétique.Par ailleurs, la méthode de fabrication originelle de nos micro-robots ne permet pas l'impression en grand nombre car les billes sont réparties aléatoirement sur le substrat. Pour l'améliorer, il faut pré-positionner les billes, pour pouvoir automatiser le processus de fabrication. On a donc fabriqué des pièges magnétiques permettant de placer les billes à des endroits choisis. L'impression sur ces pièges à billes métalliques est plus complexe que l'impression habituelle sur verre : en optimisant la puissance du laser et en ajoutant un traitement de surface sur les substrats, nous avons développé une méthode d'impression sur substrats opaques et réfléchissants.

Magnetic microrobots are magnetically actuated sub-millimeter 3D structures of increasing interest for biological applications. Here, we are interested in the development and 3D microprinting of magnetic microrobots using two-photon polymerization for remote cell manipulation.Two main topics have been studied during this thesis. First, we aim to develop a cell culture substrate mimicking the intestinal wall in order to study the response of cells to changes in curvature. To do so, we print a hybrid micro-structure which is deformed by magnetic actuation. The hybridization of two materials in the structure itself allows to take advantage of their respective properties: the internal skeleton is made of Ormocomp (polymer resin), it brings a stable structure, the envelope made of gelatin-collagen is flexible and allows the culture of cells. Finally, a NdFeB bead is attached to the skeleton to deform it in a magnetic field.Moreover, the original manufacturing method of our micro-robots does not allow the printing in large numbers because the beads are randomly distributed on the substrate. To improve it, we need to pre-position the beads, in order to automate the manufacturing process. Therefore, magnetic traps have been made to place the beads at selected locations. Printing on these metal bead traps is more complex than the usual printing on glass: by optimizing the laser power and adding a surface treatment on the substrates, we have developed a method of printing on opaque and reflective substrates.