Développement et fabrication par impression 3D d’un système microfluidique ouvrable et instrumenté avec un capteur de bioimpédance pour la culture in vitro de tissus biologiques 3D

Development and fabrication by 3D printing of an openable microfluidic system instrumented with a bioimpedance biosensor for in vitro culture of 3D biological tissues

• Auteur / Autrice : Félix Royer
• Direction : Vincent Senez, Isabelle Van Seuningen
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et science des matériaux
• Date : Soutenance le 22/09/2025
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Biologie-Santé
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Hétérogénéité, plasticité et résistance aux thérapies des cancers (CANTHER) - Hétérogénéité, Plasticité et Résistance aux Thérapies des Cancers = Cancer Heterogeneity, Plasticity and Resistance to Therapies - UMR 9020 - U 1277
• Partenaire(s) de recherche : Financeur : Centre national de la recherche scientifique - Programme for EArly-stage Researchers in Lille (France)
• Jury : Président / Présidente : Fabrizio Cleri
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ørjan G. Martinsen
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marie Frenea-Robin, Claire Dalmay

Mots clés

Mots clés contrôlés

Tumeurs du pancréas

Cellules cancéreuses en culture

Techniques de biocapteur

Impédance électrique

Microfluidique

Systèmes microphysiologiques

Impression tridimensionnelle

Tumeurs

Pancréas

Cellules cancéreuses

Tissus (histologie) -- Cultures cellulaires

Biocapteurs

Impédance bioélectrique

Microfluidique

Impression 3D

Mots clés libres

Organe sur puce

Biocapteurs électriques

Tumeur solide

Impression 3D

Systèmes microfluidiques

Bioimpedance

Organ-On-Chip

Electrical biosensors

Solid tumour

3D printing

Microfluidic systems

Bioimpédance

Résumé

La culture cellulaire constitue un outil indispensable en biologie. Elle a permis de mieux comprendre des mécanismes biologiques fondamentaux et a été au coeur de progrès en biologie et médecine. Cependant, les modèles de culture classiques (statiques in vitro 2D et 3D et in vivo) présentent des limitations telles que la représentation simplifiée du tissu ou l’incompatibilité inter-espèces. Les systèmes microfluidiques reproduisent mieux l'environnement dynamique d’un tissu biologique en intégrant des caractéristiques comme le flux interstitiel. Ils favorisent ainsi la découverte de nouveaux médicaments et le développement de la médecine personnalisée, tout en s’inscrivant dans la lignée de la règle des 3R. L’évaluation de l’efficacité de ces candidats thérapeutiques repose généralement sur la mesure de la viabilité cellulaire post traitement. Ces tests sont cependant destructifs et réalisés en point final, ne fournissant pas d’information dynamique sur les tissus étudiés. Les capteurs de bioimpédance, basés sur la mesure à basse fréquence de l’opposition de la membrane des cellules au passage du courant alternatif, permettent une mesure en temps réel, non destructive,de la densité cellulaire, et donc de la viabilité. Dans ce contexte, le premier objectif de ma thèse a été le développement d'un système microfluidique ouvrable et parallélisé intégrant un modèle tissulaire 3D solide. Nous avons défini sa géométrie par modélisation numérique en prenant en compte les données in vivo disponible dans la littérature. Nous avons ensuite développé un protocole de fabrication reposant sur l’impression 3D. Nous avons étudié sa capacité de culture en réalisant des cultures dynamiques de cellules cancéreuses pancréatiques d’une part en monocouche 2D et d’autre part en culture 3D. Le deuxième objectif de ma thèse consistait à intégrer et caractériser un biocapteur d’impédance dans les chambres du système microfluidique. Nous avons défini sa géométrie par modélisation numérique en étudiant sa sensibilité. Sa fabrication a été réalisée par photolithographie et lift-off. Sa caractérisation a permis de quantifier l’impact de la géométrie et de la température sur la mesure électrique. Des premiers résultats préliminaires ont permis de valider que le microsystème instrumenté permettait le suivi de l’évolution de la densité cellulaire au sein de cultures 2D et 3D dynamique de cellules pancréatiques cancéreuses.

Cell culture is an indispensable tool in biology. It has led to a better understanding of fundamental biological mechanisms and has been at the heart of progress in biology and medicine. However, conventional culture models (static in vitro 2D and 3D and in vivo) have limitations such as simplified tissue representation and interspecies incompatibility. Microfluidic systems better reproduce the dynamic environment of biological tissues by incorporating features such as interstitial flow. In this way, they facilitate the discovery of new drugs and the development of personalised medicine, in line with the 3Rs rule. Assessing the efficacy of these therapeutic candidates is generally based on measuring post-treatment cell viability. However, these tests are destructive and endpoint, providing no dynamic information about the tissues being studied. Bioimpedance sensors, based on the low-frequency measurement of the opposition of the cell membrane to the passage of an alternating current,provide a non-destructive, real-time measurement of cell density and therefore viability. In this context, the first objective of my thesis was to develop an openable and parallelised microfluidic system integrating a solid 3D tissue model. We defined its geometry by numerical modelling, taking into account the in vivo data available in the literature. We then developed a manufacturing protocol based on 3D printing. We studied its culture capacity by carrying out dynamic cultures of pancreatic cancer cells in 2D monolayers and 3D cultures. The second objective of my thesis was to integrate and characterise an impedance biosensor in the chambers of the microfluidic system. We defined its geometry using numerical modelling and studied its sensitivity. It was manufactured using photolithography and lift-off. Its characterisation enabled us to quantify the impact of geometry and temperature on the electrical measurement. Initial preliminary results validated that the instrumented microsystem could be used to monitor changes in cell density in dynamic 2D and 3D cultures of pancreatic cancer cells.