Dispositifs microfluidiques dans les mousses polymères : fabrication, modélisation et applications biologiques.

Microfluidic devices in polymeric foam : fabrication, modeling and biological applications

• Auteur / Autrice : Giacomo Gropplero di Troppenburg
• Direction : Yves Fouillet, Laurent Davoust
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides Energétique, Procédés
• Date : Soutenance le 27/03/2017
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble ; 1967-....) - Science et ingénierie des matériaux et procédés (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Skandar Basrour
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Malaquin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Benoît Charlot, Oscar Komla Awitor

Mots clés

Mots clés contrôlés

Capillarité

Mousses de polyuréthanes

Mots clés libres

Microfluidique

Mousse

Biologie

Low-Cost

Millifluidique

Mousse polymère

Microfluidics

Foam

Biology

Low-Cost

Millifluidic

Polymeric foam

Résumé

Les dispositifs de diagnostics à bas coût au point d'intervention reposent notamment sur la microfluidique et un support adapté. La mousse polymère dispose de propriétés mécaniques et structurales particulières (porosité, élasticitédots) qui la distinguent des autres matériaux utilisés en microfluidique (PDMS, papier, matières plastiques, verre, siliciumdots). Cette thèse porte sur l'investigation systématique des différentes potentialités offertes par la mousse polymère en tant que nouveau support pour la microfluidique. Un procédé de mise en forme est tout d'abord proposé permettant la réalisation d'un microsystème fluidique. Ce nouveau procédé repose sur l'utilisation conjointe d'une mousse polymère et d'un élastomère afin de réaliser des systèmes fluidiques très élastiques, conservant les propriétés structurales initiales de la mousse. Basé sur une technique d'emboutissage contrôlée et reproductible, le procédé est compatible avec une production industrielle. Un modèle numérique associé permet aussi son optimisation. Les dispositifs microfluidiques en mousse ainsi réalisés possèdent, en plus de la capillarité, un atout déterminant : la possibilité d'une compression manuelle ou d'un actionnement péristaltique externes pour un contrôle des écoulements microfluidiques sans contamination. L'actionnement péristaltique est compatible avec un fonctionnement en pompe et en vanne. Une modélisation par approche nodale permet de reproduire dynamiquement le comportement des écoulements dans des canaux fluidiques en mousse. En vue d'une intégration dans des systèmes portables à bas coût, les étapes fondamentales d'un test de diagnostic (récupération et préparation d'un échantillon, détection) sont validées. On montre que la filtration est possible pour des objets de quelques dizaines de micromètres. Les dispositifs en mousse peuvent aussi être fonctionnalisés chimiquement pour optimiser la capture de cibles biologiques. La détection d'éléments biologiques est également possible en fluorescence ou par colorimétrie à partir d'une amplification isotherme de l'ADN. Enfin, un prototype de typage sanguin donne accès au groupe sanguin d'un échantillon de sang total en quelques minutes. Ce dernier test est mené sur un dispositif intégré qui met en valeur l'essentiel des avantages d'un dispositif en mousse : robustesse, simplicité d'utilisation, embarquement de réactifs, association de différents matériaux, déplacement d'un échantillon biologique par compression externe contrôlée par un opérateur, lecture directe d'un résultat de test en quelques minutes.

Microfluidics and an appropriate substrate are essentials for the design of low-cost point-of-care diagnostic devices. The particular mechanical and structural properties (porosity, elasticitydots) of polymeric foam are unique among the other widespread materials in microfluidics (PDMS, paper, plastic materials, glass, silicondots). A systematic screening of the different capabilities provided by polymeric foam as a new substrate for microfluidics is offered in this thesis. First off, a shaping process is proposed for the production of fluidic microsystems. This new process relies on the combined usage of a polymeric foam and an elastomer to produce highly elastic fluidic systems that keep the initial structural properties of the foam. Based on a controlled and repeatable embossing technic, the process is compatible with industrial production. A coupled numerical model also allows its optimization. The resulting foam microfluidic devices have, besides capillarity, a decisive asset : the option of a manual compression or an external peristaltic actuation for a contamination-free control of the microfluidic flows. The peristaltic actuation can function as a pump and as a valve. A lumped elements model enables a dynamic reproduction of the fluidic behavior inside the foam channels. To ensure proper integration in low-cost portable devices, the fundamental stages of a diagnostic test (retrieval and preparation of a sample, detection) are validated. We show that filtration of objects of only a few tens of micrometers in size is possible. The foam devices can also be chemically functionalized to optimise the capture of specific biological targets. The fluorescent or colorimetric detection of biological elements is equally possible by means of isothermal DNA amplification. Finally, a blood typing prototype gives access to the blood group of a whole blood sample in a few minutes. This last test is carried on an integrated device which highlights the main benefits of a foam device : robustness, user-friendly, embedded reagents, multiple materials combination, transport of a biological sample by external compression controlled by an operator, direct readout of a result in a few minutes.