Développement de polymères composites auto-organisés pour la mise en œuvre de fonctions magnétiques en microsystèmes fluidiques

Self assembled composite polymer for the implementation of magnetic function in microfluidic systems

• Auteur / Autrice : Samir Mekkaoui
• Direction : Anne-Laure Deman, Damien Le Roy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique. Génie électrique
• Date : Soutenance le 05/12/2019
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : INL - Institut des Nanotechnologies de Lyon, UMR5270 (Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Rosaria Ferrigno
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Dumas-Bouchiat
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Orphée Cugat, Stéphanie Descroix

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microfluidique

Microscopie à force de résonance magnétique

Laboratoires sur puce

Composites polymères

Mots clés libres

Laboratoire-sur-Puce

Auto-organisation

Polymères composites

Magnétophorèse

Magnetic Force Microscopy

Microfluidique

Lab-On-Chip

Composite Polymers

Magnetophoresis

Self-assembly

Magnetic Force Microscopy

Microfluidics

Résumé

Le travail présenté dans cette thèse s'inscrit dans la dynamique du développement de laboratoires sur puce intégrant des fonctions magnétiques. Nous avons ainsi développé une nouvelle technologie, non conventionnelle, basée sur l'approche composite, pour intégrer des réseaux de micro-pièges magnétiques en microsystème. Le polymère composite i-PDMS, consistant en une matrice de polydimethylsiloxane (PDMS) dopée au carbonyle de fer (Fe-C), présente des propriétés magnétiques tout en préservant ses propriétés de microfabrication par lithographie douce. Il présente également l'avantage de pouvoir être collé de manière covalente sur du verre ou du PDMS et répondre donc à la problématique d'intégration hétérogène de matériaux métalliques dans des systèmes polymères. Le i-PDMS peut être par ailleurs microstructuré via l'application d'un champ magnétique pendant sa réticulation. Ce matériau polyvalent présente des propriétés magnétiques modulables selon l'organisation et la concentration des particules magnétiques. Le manuscrit présente d'abord un état de l'art des fonctions magnétophorétiques en microsystème, notamment une description des différentes approches technologiques et des mises en œuvre en microsystème. Une seconde partie sera dédiée à la caractérisation des propriétés physiques et morphologiques du i-PDMS microstructuré. Un modèle théorique est ensuite développé par simulations par éléments finis (COMSOL®) pour estimer les forces magnétiques générées en microsystème. Les travaux permettant la mesure des forces magnétiques par microscopie à force atomique à sonde colloïdale sont ensuite présentés. Finalement, les performances des membranes de i-PDMS mise en œuvre comme réseaux de micropièges magnétiques en microsystème fluidique sont caractérisées

This thesis work aims to develop Lab-On-Chip systems embedding magnetic functions. Here we report a novel, unconventional technology based on a composite polymer approach to integrate arrays of magnetic micro traps in microsystems. The composite polymer i-PDMS, consisting in a polydimethylsiloxane (PDMS) matrix combined with carbonyl iron (Fe-C) particles, exhibit magnetic properties while preserving the possibility of using soft lithography. It also can be covalently bonded to glass or PDMS, answering the problem of heterogeneous integration of metal-based materials in polymeric systems. Also, i-PDMS microstructure can be controlled by applying a magnetic field during its curing process. Such polyvalent material displays tunable magnetic properties according its inner organization or the concentration in magnetic powders. The manuscript starts with a presentation of the state of the art regarding magnetophoretic functions in microsystems, especially the classical fabrication process involved. A second part will be dedicated to the characterization of the i-PDMS physical and morphological properties. A theoretical model is then developed using finite element simulations to estimate the magnetic force generated by such array of micro traps. The experimental measurements of the magnetic force using an atomic force microscope are then presented. Finally, the i-PDMS membranes performances are characterized when implemented in microfluidic devices