Capteur acoustofluidique à bulles fonctionnalisées pour la détection de bioanalytes

Acoustofluidic sensor with functionalized bubbles for bioanalytes detection

• Auteur / Autrice : Marc Prudhomme
• Direction : Franck Chollet, Mahmoud Addouche
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences pour l'Ingénieur
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 29/03/2024
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Franche Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Micro Nano Sciences et Systèmes (MN2S)
• Jury : Président / Présidente : Jean-François Manceau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Franck Chollet, Mahmoud Addouche, Claude Inserra, Corinne Dejous, Jacques Fattaccioli
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Claude Inserra, Corinne Dejous

Mots clés

Mots clés libres

Microfluidique

Bio-capteur

Onde acoustique

Simulation numérique

Microfabrication

Microfluidic

Biosensor

Acoustic wave

Numerical simulation

Microfabrication

Résumé

Le développement de la microfluidique au début du XXe siècle a permis l'essor de biocapteurs compactes, intégrés, et utilisables par un large public. Ces dispositifs ont pour but de détecter et souvent quantifier, un élément biologique appelé analyte (virus, bactérie, protéine, cellule...) circulant dans les fluides biologiques tels que le sang, la salive ou l'urine. Néanmoins, la plupart de ces biocapteurs possèdent un inconvénient commun : ils sont majoritairement jetables. En effet, la régénération de la surface de capture, plane et fixe au sein du dispositif, est compliquée voire impossible à mettre en œuvre, du fait des fortes liaisons chimiques mises en jeu entre la surface et les récepteurs. L'approche étudiée dans cette thèse consiste ainsi à transférer la surface de capture à une surface mobile et régénérable facilement au sein du dispositif. Les microbulles sont très étudiées en microfluidique digitale, du fait de leur comportement acoustique singulier. Les microbulles sont à l'origine d'avancées majeures dans le domaine biomédicale, notamment en imagerie et en thérapie. L'objectif de cette thèse est d'exploiter la surface de bulles générées au sein d'une puce microfluidique comme interface de capture. Le capteur microfluidique intègre notamment les étapes de fonctionnement suivantes : génération et fonctionnalisation en surface des microbulles, organisation statique des bulles au sein d'une chambre, injection du liquide d'analytes et capture en surface. Le couple biotine/streptavidine est utilisé afin de démontrer l'efficacité du capteur. Par ailleurs, afin d'obtenir une méthode de détection sensible, sans marquage et intégrée, la détection est évaluée par sondage acoustique du milieu bulleux. La régénération se fait alors de manière quasi immédiate, par évacuation des bulles avant régénération. Dans un premier temps, la microfabrication de la puce microfluidique en PDMS/Verre présentant une architecture permettant d'effectuer l'ensemble des étapes fluidiques de fonctionnement du capteur a été réalisée. Les bulles sont générées à l'aide d'une jonction-T en contrôlant le débit et la pression de la phase continue (tensioactifs+PBS) et de la phase disperse (air). La fonctionnalisation de la surface des microbulles est effectuée directement à la génération, en mélangeant les lipides à la phase continue. L'organisation statique des microbulles se fait au sein d'une chambre carré en fermant une vanne tout-ou-rien placée en sortie de montage. L'injection du liquide d'analytes se fait par contrôle précis de la pression d'injection, le fluide d'analytes étant injecté dans la chambre par des canaux latéraux sous forme de fouches en arboresence. La capture de streptavidine en surface des bulles a ainsi été validé par marquage fluorescent. Dans un second temps, l'étude numérique par éléments finis de l'interaction onde acoustique et bulles fonctionnalisées au sein de la cellule fluide est étudiée, afin de déterminer les stratégies pouvant mener à la détection d'analyte en surface de bulles d'air. L'influence de plusieurs paramètres sur la réponse acoustique des bulles sont étudiés: la proximité des parois des canaux, la géométrie écrasée des bulles ainsi que la fonctionnalisation en surface modélisée par une coque viscoélastique. Les stratégies de détection étudiées reposent sur l'étude du cristal phononique de bulles et de son diagramme de dispersion, ainsi que sur les modes couplées de cavité et de bulles. Finalement, l'intégration d'un transducteur acoustique sur des puces en Silicium/Verre pour l'excitation d'un mode acoustique sensible à la capture en surface des bulles a été mis en œuvre. Un patch piézoélectrique associé à un analyseur d'impédance sont ainsi intégré au montage. Les résultats montrent un mode acoustique sensibile à la dynamique des bulles au sein de la cavité ainsi qu'à la nature de leur coque.

The development of microfluidic in the early XXth century has lead to the growth of compact, integrated and user-friendly biosensors. These devices aim at detecting and often quantifying a biological element called an analyte (virus, bacteria, protein, cell...) evolving in biological fluids such as the blood, the saliva or the urin. However, most of these biosensors share a common inconvenient: they are mostly disposable. Indeed, the regenration of the capture surface, flat and fixed within the device, is complicated or even impossible to proceed, due to the strong chemical bonds between the surface and the receptors. This thesis consists in transferring the capture surface to a mobile and easily regeneration surface within the device. The microbubbles are widely studied in digital microfluidic, due to their singular acoustic behavior. They are behind major breakthroughs in the biomedical domains, especially in imaging and therapy. The goal of this thesis is to use the bubbles surface generated in a microfluidic chip as capture interface. The microfluidic sensor will integrate the following steps: generation and functionalisation of the microbubbles surface, static organisation of the bubbles inside a chamber, injection of the analytes solution and capture at surface. The couple biotin/streptavidin is used in order to demonstrate the efficiency of the sensor. Besides, the capture is assesed by acoustic probing, in order to have a sensitive, label free and integrated detection method. The regeneration of the sensor is performed almost instantly, by the evacuation of the bubbles before regeneration. Firstly, the microfabrication of the PDMS/Glass microfluidic chip with an architecture allowing to perform all the fluidic steps of the sensor is realized. Bubbles are generated with a T-junction by controlling the flowrate and the pressure of the continuous (surfactant+PBS) and disperse (air) phase. The functionalisation of the bubbles surface is performed directly at the generation, by mixing the lipids in the continuous phase. The static organisation of the microbubbles is done within a square chamber by closing the on-off valves placed at the end of the set up. The injection of the analytes liquid is realized by a precised control of the injection pressure, the analytes fluid being injected in the chamber by lateral forks channels in a three-shape. The capture of streptavidine at bubbles surface is then validated by fluorescent label. Secondly, the numerical studies by finite element of the acoustic wave and bubbles interaction within the microfluidic chip is studied, in order to determine the strategies of detection. The influence of various parameters on the acoustic reponse of the bubbles are studied: the proximity of the walls, the squeezed shape of the bubbles, as well as the functionalization at surface modeled by a viscoelastic shell. The detection strategies studied are related to the bubbles phononic cristal and its dispersion diagram, and the coupled modes between the cavity and the bubbles. Finally, the integration of an acoustic tranducer on Silicon/Glass chip for the excitation of a sensitive acoustic mode is realized. A piezoelectric patch and an impedance analyzer are added to the setup. Results shows particularly an acoustic mode sensitive to the dynamic of bubbles within the cavity as well as the nature of their shell.