Développement d'outils microfluidiques pour des applications biologiques

Development of microfluidic tools for biological applications

• Auteur / Autrice : Walter Settimo Leonardo Minnella
• Direction : Olivier Sandre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physico-chimie de la matière condensée
• Date : Soutenance le 19/09/2017
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Laboratoire de Chimie des Polymères Organiques (Bordeaux)
• Jury : Président / Présidente : Annie Colin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Annie Colin, Benoît Charlot, Claire Smadja, Maël Le Berre, Guilhem Velve Casquillas, Jean-Baptiste Salmon, Antoine Pallandre, Laurence Armand-Lefèvre
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Benoît Charlot, Claire Smadja

Mots clés

Mots clés contrôlés

PCR quantitative

Biotechnologie

Perfusion

Microfluidique

Mots clés libres

Microfluidique

PCRq

Perfusion

Biotechnologie

Microfluidics

QPCR

Perfusion

Biotechnology

Résumé

Cette thèse traite le développement de dispositifs, basés sur la technologie "laboratoire sur puce"(LOC) qui visent à contrôler l'environnement des systèmes biologiques pour des applications macro et microbiologiques. En effet, les caractéristiques de la microfluidique permettent de manipuler l'environnement cellulaire à un niveau supérieur à celui du degré de contrôle atteignable avec les techniques ordinaires. Dans ce travail de thèse sera explorée la possibilité de profiter de ces fonctions afin de développer des outils de diagnostic peu coûteux et pourtant efficaces. En particulier, on rapporte le développement de systèmes microfluidiques permettant une perfusion des médias fluide et rapide, ainsi qu'une plateforme LOC capable de réaliser des PCRq hautement multiplexes. Au sujet des systèmes de perfusion, le but était d'obtenir une substitution du médium entourant les particules afin d'augmenter les capacités de séparation des modules de tri microfluidiques couplés. L'efficacité de notre approche a été validée par les hauts taux de séparation obtenus (>90%) avec l'utilisation de notre système de perfusion microfluidique couplé à une puce d'acoustophorèse. De plus, nous avons conçu et développé un système de thermalisation microfluidique capable d'opérer des changements de température en moins de 1s. Plus spécifiquement, cette plateforme exploite l'échange de chaleur entre un liquide de thermalisation qui circule dans une puce microfluidique et l'échantillon. Ces performances de thermalisation, et le rapport surface/volume élevé typique des appareils microfluidiques, ont permis d'effectuer 50 cycles de PCRq et l'analyse de courbe de fusion en moins de dix minutes.

The topic of this manuscript is the development of microdevices, based on "lab on chip" (LOC) technology, aimed to the environmental control and regulation of biological systems for macro and microbiological applications. Indeed, microfluidics possesses some inherent features which allow the manipulation of the environment at the cell and sub-cell level which are superior than the degree of control achievable with standard techniques. In this thesis work the possibility to leverage these features to develop inexpensive yet effective diagnostic tools is explored. In particular, we report the development of microfluidic systems which allow seamless and fast media perfusion and a novel LOC platform capable of performing highly multiplexed real-time PCR assays. Concerning the microfluidic perfusion systems, the aim was to achieve in-flow substitution of the particles' surrounding media in order to enhance the separation capabilities of the coupled microfluidic sorting modules. The effectiveness of our approach was validated by obtaining high separation purities (>90%) using our microfluidic perfusion system coupled with an acoustophoresis chip to discern two population of micro-sized beads. Moreover, we conceived and developed a microfluidic thermalisation system capable of sub-second temperature switches. Specifically, this platform relies on conductive heat exchange between a thermalisation liquid flowing inside a microfluidic chip and the biological sample. These thermalisation performances, and the high surface to volume ratio typical of microfluidic devices, allowed to perform 50 qPCR cycles and subsequent melting curve analysis in less than ten minutes.