Développement d’un microdispositif 537 S magnétique pour le contrôle et la SACL détection de complexes 8 immunologiques à base de : 201 nanoparticules magnétiques NNT Thèse de doctorat de l'Université Paris-Saclay préparée à l’Université Paris-Sud École doctorale n°575: electrical, optical, bio : physics and engineering (EOBE) Spécialité de doctorat: Electronique et Optoélectronique, Nano et Microtechnologies Thèse présentée et soutenue à Orsay, le 10/12/2018, par Olivier Lefebvre Composition du Jury : Laurent Malaquin Dr, Université Paul Sabatier (LAAS) Rapporteur Jean-François Manceau Pr, Université de Franche-Comté (Femto-St) Rapporteur Yong Chen Dr, Ecole Normale Supérieure (IPGG) Examinateur Olivier Français Pr, Université Paris-Est Marne-La-Vallée (ESIEE) Président du jury Josep Samitier Marti Pr, Université de Barcelone (IBEC) Examinateur Claire Smadja Pr, Université Paris-Sud (IGPS) Examinateur Mehdi Ammar Maître de conférences, Université Paris-Sud (C2N) Directeur de thèse Emile Martincic Maître de conférences, Université Paris-Sud (C2N) Co-encadrant Titre : Développement d’un microdispositif magnétique pour le contrôle et la détection de complexes immunologiques à base de nanoparticules magnétiques Mots clés : Détection magnétique, ovalbumine, Nanoparticules magnétiques, simulation, microfabrication, microfluidique Résumé : L’objectif de cette thèse est la fabrication Dans le cas des microbobines utilisées pour la d’un microdispositif magnétique pour la détection et la détection, des branches magnétiques micrométriques manipulation d’éléments biologiques à base de ont été insérées autour des microbobines pour créer nanoparticules magnétiques en conditions un circuit de détection magnétique encore plus microfluidiques. Il a pour but d’intégrer des fonctions sensible. La réalisation de ces dispositifs a impliqué de base de contrôle et détection magnétique, pour l’intégration de matériaux et de structures de nature atteindre des mesures spécifiques, stables, rapides et fortement hétérogène, et leur assemblage a nécessité reproductibles. En effet, la technique de résoudre de nombreux verrous technologiques. d’immunodosage couplée à des nanoparticules L’enjeu a été de déterminer l’ensemble des étapes magnétiques, bien connue dans la littérature, successives et nécessaires pour un procédé de nécessite un contrôle du déplacement de ces microfabrication fiable et reproductible. Pour montrer dernières pour les fonctionnaliser efficacement et l’intérêt des dispositifs de capture des nanoparticules créer un complexe biologique encapsulant une magnétiques, des tests immunologiques ont été molécule cible (biomarqueur). Dans notre cas une réalisés tout d’abord en microtubes pour les comparer molécule modèle pour le domaine de la biodéfense a à ceux réalisés dans un circuit fluidique à l’aide été utilisée : l’ovalbumine. Pour contrôler le champ d’aimant externe puis de microbobines intégrées. magnétique nécessaire pour la capture des Dans ce dernier cas, une optimisation considérable a complexes magnétiques, nous avons opté pour été validée en termes de réduction de temps l’utilisation de microbobines intégrées aux dispositifs d’incubation, de reproductibilité des mesures et de fluidiques et comparé cette technique originale avec limites de détection équivalentes à l’état de l’art pour d’autres plus conventionnelles. Pour détecter un l’ovalbumine. Pour le dispositif de détection complexe biologique, la fluorescence est largement magnétique, des premières expériences de utilisée en biologie, mais cette technique ne permet caractérisation électrique ainsi que des études en pas une intégration complète pour un dispositif concentration de nanoparticules magnétiques ont été autonome. Dans cette optique, nous proposons la réalisées et comparées aux résultats obtenus par détection des complexes à base de nanoparticules simulation. Pour la preuve de concept, un magnétiques en relevant la variation de l’inductance démonstrateur de détection de complexes d’un microcircuit magnétique refermant une chambre magnétiques a été également finalisé validant la microfluidique contenant ces complexes possibilité d’intégration du microcircuit magnétique immunologiques. Le dimensionnement des dans un dispositif fluidique. Il a validé également microbobines de contrôle par simulation a permis de l’obtention d’une gamme de sensibilité remarquable déterminer les paramètres permettant d’obtenir le corrélée à la présence des complexes magnétiques. champ magnétique le plus adapté au contrôle des Ses caractéristiques ont été confrontées à celles complexes biologiques. obtenues par les simulations et discutées en tenant compte de toutes les étapes critiques du procédé de microfabrication. Université Paris-Saclay Espace Technologique / Immeuble Discovery Route de l’Orme aux Merisiers RD 128 / 91190 Saint-Aubin, France Title : Development of a magnetic microdevice for the control and detection of immunological complexes based on magnetic nanoparticles Keywords : Magnetic detection, ovalbumin, Magnetic nanoparticles, simulation, microfabrication, microfluidic Abstract: The objective of this thesis is the In the case of microcoils used for detection, fabrication of a magnetic microdevice for the micrometric magnetic branches were inserted around manipulation and detection of biological elements the microcoils to create more sensitive magnetic based on magnetic nanoparticles under microfluidic sensing circuit. The realization of these devices conditions. The microdevice aims to integrate basic involved the integration of materials and structures of functions of control and magnetic detection, to obtain highly heterogeneous nature, and their assembly has specific, stable, fast and reproducible measurements. required to solve many technological bottlenecks. The Indeed, the immunoassay technique coupled to challenge was to determine all the successive and magnetic nanoparticles, which is well known in the necessary steps for a reliable and reproducible literature, requires a control of the displacement of microfabrication process. To show the added value of magnetic nanoparticles to effectively functionalize magnetic nanoparticle capture devices, them and create a biological complex to encapsulate immunoassays were first performed in microtubes to a target molecule (biomarker). In our case, a model compare with those made in a fluid circuit using an molecule “ovalbumin” for biodefense application was external magnet and integrated microcoils. In the used. To control the magnetic field which is necessary latter case, considerable optimization has been for the capture of magnetic complexes, we opted for validated in terms of reduction of incubation time, the use of microcoils integrated in the fluidic devices reproducibility of measurements and limit of detection and compared this original technique with more comparable to the state of the art for ovalbumin. For conventional ones. To detect a biological complex, the magnetic detection devices, first experiments of fluorescence is widely used in biology, but this electrical characterization, as well as concentration technique does not allow a complete integration for studies of magnetic nanoparticles, were carried out an autonomous device. In this context, we propose and compared to the results obtained by simulation. the detection of complexes based on magnetic For the proof of concept, a demonstrator of detection nanoparticles by acquiring the variation of the of magnetic complexes was also finalized by the inductance of a magnetic microcircuit close to a integration of the magnetic microcircuit in a fluidic microfluidic chamber containing these immunological device. We also validated a remarkable range of complexes. The design of the trapping microcoils by sensitivity correlated with the presence of magnetic magnetic simulation made possible to determine the complexes. The obtained characteristics were parameters allowing to define the most adapted compared to those extracted from the simulation and magnetic field to the manipulation of the biological discussed taking into account all the critical steps of complexes. the microfabrication process. Université Paris-Saclay Espace Technologique / Immeuble Discovery Route de l’Orme aux Merisiers RD 128 / 91190 Saint-Aubin, France Remerciements Ces travaux de thèse ont été réalisés à l’Institut d’Electronique Fondamentale (IEF) devenu par la suite le Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (C2N) lors de sa fusion avec le Laboratoire de Photonique et de Nanostructures (LPN). Je tiens à remercier André DE LUSTRAC, directeur de l’IEF pour son accueil au laboratoire à mon arrivée. Je tiens également à remercier Giancarlo FAINI, directeur du C2N ainsi que toute la nouvelle équipe de direction du C2N. Je remercie vivement mon directeur de thèse M. Mehdi Ammar, maître de conférences à l’Université Paris-Sud, ainsi que mes encadrants Mme Claire Smadja, professeure à l’Université Paris-Sud et M. Emile Martincic maître de conférences à l’Université Paris-Sud pour avoir dirigé et encadré mes travaux de thèse. Ces trois années de thèse m’ont permis d’apprendre énormément à votre contact et je les remercie pour la confiance et l’autonomie qu’ils m’ont été accordées. J’exprime mes sincères remerciements à M. Yong Chen, directeur de recherche à l’Ecole Normale Supérieure pour avoir accepté de présider mon jury de thèse. Je remercie M. Laurent Malaquin, directeur de recherche à l’Université Paul Sabatier et M. Jean-François Manceau, professeur à l’Université de Franche-Comté