Conception et microfabrication d'un biocapteur intégrant la manipulation magnétofluidique et la détection capacitive en champ direct

Design and Microfabrication of a Biosensor Integrating Magnetofluidic Manipulation and Direct-Field Capacitive Sensing

• Auteur / Autrice : Nessrine Jebari
• Direction : Mehdi Ammar, Elisabeth Dufour-Gergam
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, Photonique et Micro-Nanotechnologies
• Date : Soutenance le 22/11/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de nanosciences et de nanotechnologies (Palaiseau, Essonne ; 2016-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Michaël Tatoulian
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thérèse Leblois, Steve Arscott, Rosaria Ferrigno, Hamida Hallil
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Thérèse Leblois, Steve Arscott

Mots clés

Mots clés contrôlés

Techniques de biocapteur

Laboratoires sur puce

Micro-fabrication

Multiphysique

Nanoparticules magnétiques

Microfluidique

BioMEMS

Mots clés libres

Biocapteur microfluidique

Simulation multiphysique

Nanoparticules magnétiques

Détection capacitive

Microfabrication

Microfluidic biosensor

Multiphysics simulation

Magnetic nanoparticles

Capacitive sensing

Microfabrication

Résumé

Les maladies inflammatoires chroniques nécessitent un diagnostic précoce, un pronostic et une prise en charge personnalisée, ce qui peut être réalisé grâce à un suivi non invasif en temps réel de biomarqueurs inflammatoires tels que les cytokines et les protéines de phase aiguë. La sueur, un biofluide accessible et riche en informations, offre un milieu prometteur pour ce type de suivi. Cependant, les biocapteurs actuels pour la sueur sont confrontés à des défis en termes de sensibilité et de spécificité en raison des faibles concentrations de ces biomarqueurs et de la composition complexe de la sueur. Cette thèse présente un nouveau biocapteur combinant la manipulation de nanoparticules magnétiques (NPM) avec la détection capacitive en champ direct (DF-CS). Le biocapteur génère un gradient de champ magnétique contrôlé pour concentrer les immunocomplexes dans une zone de détection capacitive définie, permettant une analyse rapide, quantitative et sans marquage des biomarqueurs. Cette méthode améliore la sensibilité en réduisant les interférences de fond et élimine le besoin d'une fonctionnalisation complexe de la surface. De plus, elle permet la détection de plusieurs analytes, simplifiant la fabrication et améliorant potentiellement la stabilité et la reproductibilité du capteur. Des simulations multiphysiques 3D complètes à l'aide de COMSOL Multiphysics ont été effectuées pour optimiser la conception et les paramètres opérationnels du biosenseur. Ces simulations ont modélisé les interactions entre les champs magnétiques, fluidiques et électriques au sein du dispositif, prédisant une augmentation significative de la sensibilité de la détection capacitive allant jusqu'à 42,48 % à 85 % d'occupation des NPM. Un processus de microfabrication rigoureux en 26 étapes a été développé pour obtenir les structures magnétomicrofluidiques et capacitives. La biocompatibilité a été améliorée grâce à des revêtements de Parylène C et un nouveau protocole de collage à basse température à 45°C a été établi pour les interfaces Parylène C-Parylène C. La caractérisation expérimentale a validé les simulations, confirmant le piégeage magnétique efficace dans la zone de détection. Les mesures de capacitance et d'impédance dans l'air et l'eau déionisée ont démontré la réactivité du capteur aux changements de l'environnement diélectrique. À 200 kHz dans l'eau déionisée, le dispositif R500 a montré une diminution de 17,6 % de la capacitance et de 18,6 % de l'impédance par rapport à l'air, tandis que le dispositif R1000 a présenté des diminutions plus importantes de 25,5 % et 9,5 %, respectivement. Ces résultats démontrent la capacité du capteur à détecter les variations des propriétés diélectriques, une condition essentielle pour la détection des NPM liés aux biomarqueurs dans le biofluide. Les travaux futurs se concentreront sur la fonctionnalisation des NPM avec des anticorps ciblant les biomarqueurs pro-inflammatoires et l'évaluation des performances du capteur dans les échantillons de sueur, notamment la sensibilité, la spécificité et la limite de détection.

Chronic inflammatory diseases require early diagnosis, prognosis, and personalized management. Real-time, non-invasive monitoring of biomarkers like cytokines and acute-phase proteins in easily accessible biofluids is crucial. Sweat offers a promising medium, but current biosensors face challenges due to low biomarker concentrations and complex sweat composition. This thesis presents a novel biosensor that combines magnetic nanoparticle (MNP) manipulation with direct field capacitive sensing (DF-CS). The biosensor generates a controlled magnetic field gradient to concentrate immunocomplexes in a defined capacitive detection zone, enabling rapid, quantitative, and label-free biomarker analysis. This method enhances sensitivity by reducing background interference and eliminates the need for complex surface functionalization. Additionally, it enables multiplex detection, simplifying fabrication and potentially improving the sensor's stability and reproducibility. Comprehensive 3D multiphysics simulations using COMSOL Multiphysics were conducted to optimize the biosensor's design and operational parameters. These simulations modeled the interactions between magnetic, fluidic, and electric fields within the device, predicting a significant increase in capacitive sensing sensitivity of up to 42.48% at 85% MNP occupancy. A rigorous 26-step microfabrication process was developed to achieve the magnetofluidic and capacitive structures. Biocompatibility was enhanced using Parylene C coatings, and a novel low-temperature bonding protocol at 45°C was established for Parylene C-Parylene C interfaces. Experimental characterization validated the simulations, confirming effective magnetic trapping in the detection zone. Capacitance and impedance measurements in air and deionized water demonstrated the sensor's responsiveness to changes in the dielectric environment. At 200 kHz in deionized water, the R500 device showed a 17.6% decrease in capacitance and an 18.6% increase in impedance compared to air, while the R1000 device exhibited larger increases of 25.5% and 9.5%, respectively. These results demonstrate the sensor's ability to detect variations in dielectric properties, a critical requirement for detecting MNPs bound to biomarkers in biofluids. Future work will focus on functionalizing MNPs with antibodies targeting pro-inflammatory biomarkers and evaluating the sensor's performance in sweat samples, specially in terms of sensitivity, specificity, and limit of detection.