Exploration de l’actionnement magnétique à distance de petits objets : application aux laboratoires sur puce

Exploration of remote magnetic actuation of small objects : application to lab-on-chip

• Auteur / Autrice : Victor Vieille
• Direction : Orphée Cugat, Thibaut Devillers
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanoélectronique et nanotechnologie
• Date : Soutenance le 19/11/2019
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie électrique (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Jumana Boussey
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Aude Bolopion
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Pernod, Micky Rakotondrabe

Mots clés

Mots clés contrôlés

Laboratoires sur puce

Électroaimants

Magnétisme

Systèmes microélectromécaniques

Mots clés libres

Actionnement magnétique

Actionnement à distance

Micro-Aimants

Champ magnétique tournant

Laboratoires sur puces

Micro-Robot

Magnetic actuation

Remote actuation

Micro-Magnet

Rotating magnetic field

Lab-On-Chip

Micro-Robot

Résumé

Cette thèse explore l’actionnement magnétique à distance et en temps réel de micro-objets, dans l’objectif d’identifier et d’amorcer le développement de nouveaux outils pertinents dans le domaine émergent des laboratoires sur puces. L’idée maitresse est d’actionner des objets magnétiques de petite dimension et difficile d’accès, à l’aide d’un champ magnétique extérieur contrôlé. Si le champ est généré à distance simplement par des aimants pilotés à proximité, les points délicats sont la fabrication des micro-objets magnétiques, ainsi que la maitrise du couplage assurant l’actionnement. Cette double problématique est ici confrontée à différentes applications et résolue dans quatre projets innovants.Le premier projet vise l’actionnement collectif des nanoparticules super-paramagnétiques (NP) utilisées dans les tests biochimiques. Leur manipulation est difficile en raison de leur petite taille les rendant fortement diffusives. Pour augmenter les gradients et donc les forces sur les NPs, on utilise des micro-aimants qui génèrent des gradients locaux élevés, que l’on module en leur superposant le champ extérieur. On peut ainsi déclencher la capture des NP à la demande et les déplacer collectivement sur une longue distance. Ces techniques ont été en partie intégrées dans les tests immunologiques de la startup MagA Diagnostics. En outre, le lavage magnétique des NPs par transport au travers de solutions différentes a été démontré.Le second projet exploite le même phénomène pour déplacer deux surfaces solides l’une par rapport à l’autre grâce au champ extérieur généré à proximité, constituant ainsi un moteur linéaire pas à pas dont le rotor et stator sont intégrables, compacts et jetables. Le pas du moteur ne dépend que des paramètres de fabrication. La miniaturisation et l’actionnement en 2D sont alors possibles et ont été démontrés expérimentalement. Certains atouts différenciants de cet actionneur ont été utilisés pour réaliser, en coaction avec un aiguilleur dédié, une cartouche intégrant une bandelette papier mobile apte à absorber consécutivement, de manière programmable et polyvalente, divers fluides contenus dans la cartouche.Dans le troisième projet, on déforme un objet réalisé en matériau composite à la fois élastique et magnétique : une membrane souple dont l’aimantation hétérogène est structurée de manière contrôlée. L’application d’un champ tournant permet alors une déformation ondulatoire, progressive et réversible de la membrane. En l’intégrant à un support adéquat, ce mouvement de vague est appliqué au pompage péristaltique. Cette micro-pompe brevetée possède des atouts originaux adaptés à certaines problématiques de la microfluidique, lui conférant un potentiel industriel important.Enfin, le quatrième projet vise la fabrication de micro-actionneurs magnétiques aux géométries complexes par nano-impression 3D à deux photons. Une technique polyvalente de micro-fabrication de rupture a été mise au point consistant à fixer des microbilles magnétiques (D~20 µm) à un objet 3D nano-imprimé en matériau transparent et déformable. On peut contrôler l’orientation de l’aimantation et la localisation de plusieurs billes dans la même structure, permettant d’appliquer des couples localisés et hétérogènes. On a pu réaliser la première microlentille optique imprimée et actionnée magnétiquement, ainsi qu’une micro-pince d’une grande dextérité adaptée à la manipulation de cellules biologiques dans les laboratoires sur puces.

This thesis explores remote and real-time magnetic actuation, to identify and initiate the development of new tools relevant to the emerging field of Lab-on-Chips. The goal is to operate miniature magnetic objects difficult to access, via an external magnetic field. If the field can easily be generated and remotely controlled by nearby magnets, the challenges lie in manufacturing small magnetic objects, as well as in controlling the magnetic actuation. These challenges are here confronted with various applications and solved in four innovative projects.The first project targets the collective actuation of super-paramagnetic nanoparticles (NP) used in biochemical tests. Their handling is difficult due to their small size, which makes them highly diffusive: micro-magnets were developed and used to increase the gradients and hence the force. For remote and real-time operation, the external field is superimposed to local fields and gradients generated by the micro-magnets. This triggers the capture of NPs on demand and their collective movement over long distances. This technique was partly integrated in diagnostic tests manufactured by MagIA Diagnostics. In addition, magnetic washing of NPs by transport using different solutions was demonstrated.The second project exploits the same long-distance displacement to move two solid surfaces relative to each other, making a linear stepper motor whose rotor and stator are integrated, compact and disposable. The motor step only depends on the manufacturing parameters. Miniaturization and 2D actuation have been demonstrated experimentally. Some of the actuator’s differentiating advantages are used to produce, in conjunction with a dedicated switcher, a cartridge incorporating a mobile paper strip capable of consecutively absorbing, in a programmable and versatile manner, multiple fluids preloaded in the cartridge.The third project aims at deform an object by using a composite material that is both elastic and magnetic. A flexible membrane is thus manufactured whose heterogeneous magnetization is structured in a controlled way. An external rotating field deforms the membrane reversibly into a progressive wave. This wave movement is implemented into a peristaltic pump. The original assets of this patented micro-pump meet the need of certain microfluidic systems, demonstrating a significant industrial potential.Finally, the fourth project’s objective was to manufacture magnetic microactuators with complex geometries by 3D two-photon nano-printing. A novel, simple approach is implemented consisting of bonding discrete magnetic micro-beads to a non-doped nanoprinted soft structure. The individualised localisation and orientation of magnetisation of each bead prior to bonding allows for various modalities of remote actuation such as displacement, rotation, and controlled deformation. Thanks to the hybrid nature of the designed systems, we can simultaneously exploit the strong magnetic torques and forces induced on a hard ferromagnetic bead and benefit from the biocompatibility, deformability, high transparency, precise and personalised manufacture of the nanoprinted polymer. Based on this approach, we built the first 3D printed and magnetically actuated micro-lens for photonics, and a dexterous micro-gripper well suited to the complex manipulation of single biological cells.