Acousto-fluidique à ondes évanescentes, application à l'organisation de cultures de cellules adhérentes

par Vivian Aubert

Thèse de doctorat en Acoustique

Sous la direction de Cédric Poulain et de Régis Wunenburger.

Soutenue le 08-12-2017

à Paris 6 , dans le cadre de École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris , en partenariat avec Laboratoire d'Electronique et des Technologies de l'Information (laboratoire) .

Le président du jury était Jean-Louis Thomas.

Le jury était composé de Philippe Marmottant, Jean-Philippe Kleman.

Les rapporteurs étaient Bertrand Audoin, Jean-Paul Rieu.


  • Résumé

    Les ondes acoustiques permettent la manipulation, le tri ou le mélange de particules ou de fluides à l'échelle micrométrique voire nanométrique sans contact et sans marquage. Nous tirons parti de la force de radiation acoustique pour manipuler des cellules vivantes. La plupart des techniques d'émission repose sur l'utilisation d'ondes de surface supersoniques. Cette approche, qui a largement fait ses preuves, requiert des substrats à matériau piézoélectriques. Elle reste, dans les cas pratiques, limitée par une forte atténuation. Ici, nous exploitons le régime subsonique de propagation afin de générer un champ acoustique évanescent dit de "Scholte" qui concentre son énergie au voisinage du substrat où sont précisément situés les objets. Ces ondes présentent donc la caractéristique de ne pas rayonner dans le fluide et ne sont par conséquent pas atténuées. Leur excitation ne requiert aucun matériau particulier et peut-être réalisée à distance de la zone d'intérêt. Nous avons démontré l'existence de ces ondes et illustré leur potentiel au travers d'exemples clés pour la microfluidique. En particulier, l'utilisation d'un champ tournant a montré la possibilité de piéger et d'entraîner la rotation à l'échelle individuelle. Nous décrivons aussi une méthode de caractérisation du plasma sanguin par "centrifugation" acoustique. Ensuite, un réseau de pièges acoustiques réversible a été adapté afin d'étudier son effet sur des cellules adhérentes (fibroblastes) en conditions de culture. Un traitement statistique nous a permis d'étudier les modifications d'organisation de la culture en fonction du phénotype. Ce travail démontre l'intérêt de l'acoustique dans l'étude de la motilité et des effets mécanotransducteurs sur une population cellulaire.

  • Titre traduit

    Acoustofluidics evanescent waves : application to adherent cells pattern in culture conditions


  • Résumé

    It has been shown that the use of acoustic waves enables nanoparticles, microbubbles, drops or microbeads, living cells and fluids to be moved, sorted, or mixed in a contactless and label-free manner. Here, we take advantage of the acoustic radiation force to manipulate living cells. Most of the applications and their associated techniques rely on the use of the so-called SAW (Rayleigh Surface Acoustic waves). This technique is powerful but requires piezoelectric substrates and suffers from a high damping due to radiation losses in the supersonic regime. Here, we work instead in the subsonic regime of propagation which allows us to generate an evanescent field ("Scholte" waves) thanks to a thin substrate. This wave presents very interesting characteristics since acoustic energy is concentrated in the vicinity of the substrate where objects are located. Moreover, the propagation is lossless and doesn't require any substrate or particular medium. We then showed the potential of this new approach through key-applications in microfluidics. This device enables to establish patterns and to concentrate cells in a flow. We have also designed a rotating acoustic field and shown the possibility of trapping and spinning of individual cells. We also describe a blood plasma characterization method by acoustic "centrifugation" within a drop. In a second part, we have designed a network of switchable acoustic traps compatible with living cells in order to study its effect on a population of adherent cells in culture. It reveals a change of cells behaviour depending on the phenotype. This work opens the way to the use of acoustics in the study of mechanotransductive effects on cells population.


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