Development of microsystems for the controlled formation of cell aggregates by dielectrophoresis

par Jonathan Cottet

Thèse de doctorat en Electronique, Electrotechnique et Automatique

Soutenue le 29-11-2018

à Lyon , dans le cadre de École Doctorale Electronique, Electrotechnique, Automatique (Lyon) , en partenariat avec École centrale de Lyon (établissement opérateur d'inscription) et de Laboratoire AMPERE (Ecully, Rhône) (laboratoire) .

Le président du jury était Anne-Marie Gué.

Le jury était composé de François Buret, Marie Frenea-Robin, Philippe Renaud, Antonio Ramos Reyes.

Les rapporteurs étaient Albert Van Den Berg, Olivier Français.

  • Titre traduit

    Développement de microsystèmes pour la formation contrôlée d'agrégats de cellules par diélectrophorèse


  • Résumé

    Les agrégats cellulaires constituent un modèle intermédiaire entre les cellules uniques et les tissues cellulaires et sont utilisés dans de nombreux domaines tels que l’ingénierie tissulaire et le criblage de médicaments in vitro. La création de tels agrégats cellulaires dont les propriétés et la taille seraient contrôlées nécessite cependant le développement de nouvelles approches ascendantes. Le travail présenté dans ce manuscrit vise à développer des microsystèmes pour la formation contrôlée d’agrégats de cellules sous flux via des champs électriques. Cette approche se base sur la diélectrophorèse (DEP), un phénomène induisant le déplacement des particules diélectriques lorsqu’elles sont placées dans un champ électrique non-uniforme. Un outil de calcul, MyDEP, a tout d’abord été développé afin d’être en mesure de prédire le comportement des cellules en suspension dans un certain milieu. Cet outil permet d’étudier la réponse diélectrique des particules et des cellules en fonction de la fréquence du champ. Il contient une base de données regroupant les propriétés diélectriques des cellules publiées dans la littérature afin d’aider tant les spécialistes que les utilisateurs néophytes à comprendre le comportement diélectrophorétique des particules et des cellules ainsi qu’à choisir les paramètres expérimentaux tels que la conductivité électrique du milieu et la fréquence du champ préalablement aux manipulations expérimentales en laboratoire. Différents designs pour le piégeage de cellules sont proposés avec les simulations, par la méthode des éléments finis en utilisant COMSOL Multiphysics, associées. Leur fabrication a nécessité le développement d’une méthode d’alignement reproductible, précise au micromètre, des microcanaux d’un polymère appelé le polydiméthylsiloxane (PDMS) avec des électrodes coplanaires en titane/platine déposées sur du verre via l’utilisation d’une aligneuse de masques conventionnelle. La méthode est basée sur l’utilisation d’un moule en silicium associé à un sarcophage en Poly(methyl methacrylate) (PMMA) afin de garantir le contrôle du parallélisme entre les parties supérieure et inférieure du PDMS moulé. Les puces contenant les différents designs de piégeage ainsi fabriquées ont été testées avec succès sur des cellules rénales embryonnaires humaines (HEK) à l’aide d’une installation expérimentale démontrant par la même la capacité des puces à créer des agrégats constitués d’un nombre contrôlé de cellules par diélectrophorèse. Les agrégats ainsi formés se sont avérés stables après 5 minutes de contact cellule à cellule sans qu’une séparation des cellules n’ait été observée. Le design d’un capteur par impédance a par ailleurs été proposé pour caractériser tant les cellules uniques que les agrégats cellulaires avant et après la chambre de piégeage. Celui-ci, associé au design de piégeage par DEP, a été testé expérimentalement avec succès pour détecter leur passage.


  • Résumé

    Cell aggregates are an intermediary model between single cells and cell tissues used in many applications such as tissue engineering and in vitro drug screening. The creation of cells aggregates of controlled size and properties requires the development of new bottom-up strategies. The work developed in this manuscript aims at presenting the development of microsystems for the electric force-driven controlled formation of cell aggregates under flow conditions. This approach is based on dielectrophoresis, a phenomenon that causes induced motion on dielectric particles placed in a non-uniform electric field. A computational tool, MyDEP, was first developed in order to predict the behavior of cells in a specific medium. It allows to study the dielectric response of particles and cells as a function of frequency. The software also includes a database gathering cell dielectric models available in the literature to help experienced users as well as neophytes to understand the dielectrophoretic behavior of particles and cells and to choose parameters such as electric conductivity of the medium and frequency before performing laboratory experiments. Different designs for cell trapping are proposed and simulated in 2D with FEM using COMSOL Multiphysics. Their fabrication implied the development of a reproducible method for μm precision alignment of microchannels in a polymer called polydimethylsiloxane (PDMS) with coplanar titanium/platinum electrodes deposited on glass, using a conventional mask aligner. It is based on the use of a silicon mold in combination with a Poly(methyl methacrylate) (PMMA) sarcophagus for precise control of the parallelism between top and bottom surfaces of molded PDMS. The trapping design based on coplanar electrodes was successfully tested experimentally on human embryonic kidney cells (HEK) with an automated setup. It proves its capability to create aggregates of a controlled number of cells with DEP. The cell aggregates proved to be stable (no disruption) after only 5 minutes of cell-cell contact. An impedance-based sensor design was proposed for characterizing single cells and cells aggregates before and after the trapping chamber. This sensor was successfully tested experimentally to detect particle passage in combination with the dielectrophoretic trapping design.


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Informations

  • Sous le titre : Développement de microsystèmes pour la formation contrôlée d'agrégats de cellules par diélectrophorèse
  • Détails : 1 vol. (238 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. [213]-234
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