Développement d'une instrumentation embarquée pour le contrôle de dermes équivalents en culture

par Elmar Yusifli

Thèse de doctorat en Microtechniques

Sous la direction de Tijani Gharbi, Réda Yahiaoui et de Mahmoud Addouche.

Soutenue le 18-12-2017

à Bourgogne Franche-Comté , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; Dijon ; Belfort) , en partenariat avec Nanomédecine, imagerie, thérapeutique (Besançon) (laboratoire) , Nanomédecine, imagerie, thérapeutique (laboratoire) et de Université de Franche-Comté (Etablissement de préparation) .

Le président du jury était Yassine Haddab.

Le jury était composé de Tijani Gharbi, Réda Yahiaoui, Mahmoud Addouche, Yassine Haddab, Steve Arscott, Christophe Loyez, Étienne Herth.

Les rapporteurs étaient Steve Arscott, Christophe Loyez.


  • Résumé

    La peau est un organe capable de se régénérer et de cicatriser. Elle constitue la première barrière de protection de notre organisme contre les agressions physico-chimiques extérieures. Depuis plusieurs décennies des recherches ont été menées pour maîtriser la culture du derme pour plusieurs applications telles que la greffe des grands brulés. L’aspect technologique de ce domaine a fait l’objet de plusieurs travaux. Dans les années 2000, l'équipe de notre laboratoire a proposé la méthode de culture du derme associée à des microsystèmes en silicium. C’est l’unique méthode actuelle qui permet la mesure des forces isométrique du derme équivalent lors de sa culture.Dans une première étude, nous avons proposé des nouvelles méthodes de mesure des forces isométriques qui s’exercent dans des peaux reconstruites en culture entre deux lames de silicium afin de fabriquer un bio-dispositif miniaturisé à faible coût. Ainsi, les dimensions optimales ont été calculées et des nouvelles lames ont été fabriquées. L’optimisation que nous avons retenue est relative à l’amélioration de la sensibilité de la mesure des forces. Afin de quantifier le fléchissement de lames due aux forces isométriques appliquées par le derme en culture, nous avons opté pour la mesure des déplacements des lames sous l’effets des forces isométriques, à l’aide d’ondes acoustiques de surface (SAW). Ce choix se justifie par la simplicité de l’intégration des transducteurs interdigités qui génèrent les ondes acoustiques, de la possibilité d’utiliser une interrogation sans fils et la réalisation physique de l’intercorrélation des ondes générées.A l’aide de simulation nous avons identifié les déformations des ondes et les écarts de fréquence qu’elles provoquent. En effet, la dissymétrie de la courbe d’intercorrélation des signaux transmis et reçus, par les transducteurs interdigités, est intiment liée à l’écart de fréquence de l’onde reçue. Nous avons démontré que le fléchissement engendre bien la dissymétrie dans l’axe du temps qui peut être mesurée plus précisément dans les limites d‘échantillonnage. Deux démonstrateurs sont modélisés et fabriqués dans la salle blanche afin de valider l’instrumentation et le principe de transduction d’un signal chirpé avec une onde acoustique de surface. Les résultats obtenus montrent que la méthode de mesure à l’aide d’une onde acoustique nous permet de faire de mesure de force mais dans une gamme d’intensité plus élevée que celle attendue. Par la suite, nous avons étudié la méthode de mesure de forces par les capteurs à base de piézorésistances. Sachant que la technique est basée sur la variation de résistivité du matériau déformé, nous avons décidé de replacer les grilles de lame prévue pour l’accrochage du derme en culture par le matériau piézorésistif implanté sur les micro poutres. Afin d’améliorer la résolution de détection de faibles forces une série de calcul et de simulations de la position et les dimensions du matériau piézorésistif et des micropoutres sont effectués et présentés. Une autre étude que nous avons menée en parallèle concerne le développement d’une instrumentation embarquée permettant de suivre la croissance du derme en culture basé sur un système de vision. Vu les conditions strictes de notre cahier de charges qui exigeait la portabilité et l’autonomie de système final, nous avons prévu le développement d’un système de vision embarqué basé sur un module de caméra et une carte FPGA. La caméra à haute définition montée sur le système de boite de culture finale avec un objectif permet de prendre des images de fluorescences des cellules en culture.

  • Titre traduit

    Development of embedded system for the control of cultured equivalent dermis


  • Résumé

    The skin is an organ which can regenerate and heal. It is the first shield of protection of our body against external physico-chemical aggression. For several decades, researches have been conducted to control the dermis culture for several applications such as grafting large burns. The technological aspect of this area has been the subject of several works. In the 2000s, the team of our laboratory proposed the dermis culture method associated with silicon microsystems. This is the only current method that allows the measurement of isometric forces of the equivalent dermis during its culture.In a first stage of study, in order to produce a miniaturized and low-cost bio-device, we proposed new methods to measure isometric forces in reconstructed skins in culture between two silicon beams. Thus, the optimal dimensions were calculated and new beams were fabricated. The chosen optimization is related to improve the sensitivity of the force measurement. To quantify the deflection of the beams due to the isometric forces applied by the dermis in culture, we opted for the measurement of the displacements of the beams under the influence of the isometric forces by using surface acoustic waves (SAW). This choice is justified by the simplicity of the integration of the interdigital transducers (IDT) that generate the SAW, the possibility of using a wireless interrogation and the physical realization of the cross-correlation of the generated waves.Using simulation, we have identified the frequency deviations caused by wave deformations. Indeed, the dissymmetry of the cross-correlation curve of the signals generated and received by IDT is closely related to the frequency deviation of the received wave. We have evidenced that the beam deflection generates the dissymmetry in the time axis which can be measured more precisely within the limits of sampling. Two demonstrators were designed and manufactured in the clean room to validate the instrumentation and the principle of transducing a chirped signal with a SAW. The obtained results show that the proposed SAW-based force measuring method allows us to measure force, but in a higher intensity range than expected. Subsequently, we studied the method of force measurement by piezoresistors. Considering that the technique is based on the variation of resistivity of the deformed material, we decided to replace the silicon grids provided for the attachment of the dermis in culture by the piezoresistive material implanted on the silicon micro-beams. To improve the low-resolution detection, a series of calculations and simulations of the positions and the dimensions of the piezoresistive material and the micro-beams have been carried out and presented. Another study that we conducted in parallel concerns the development of an on-board instrumentation to monitor the growth of the dermis in culture based on a vision system. Considering of the strict conditions of our specifications that required the portability and autonomy of the final system, we developed an embedded vision system based on a camera module and a FPGA card. The high definition camera mounted on the system of final culture box with a lens allows to take fluorescence images of cells in culture.

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Informations

  • Sous le titre : Développement d'une instrumentation embarquée pour le contrôle de dermes équivalents en culture
  • Détails : 1 vol. (159p.)
  • Annexes : Bibliogr. p.141-159.
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