Magnetic structures and micro-systems for biological applications

The range of applications for magnetic micro- and nano-particles is constantlyexpanding, in particular in medicine and biology. A number of applications involve particletrapping and deviation under the effect of a magnetic field and field gradient. In mostpublications, the required magnetic fields are produced either using soft magnetic elementspolarized by an external magnetic field, electromagnets or bulk permanent magnets.Micromagnets produce high fields and favor autonomy and stability while downscalingleads to an increase of field gradients. The challenge is to produce good quality, hardmagnetic films in the range of 1 to 100 μm both in thickness and lateral dimensions and tointegrate them into a Bio-Mag-MEMS.Physical vapor deposition (triode sputtering) is used to prepare high quality rare earthmagnets in thick film form. In order to obtain field gradients in the lateral directions, threetechniques have been developed:• Topographic patterning, in which the film itself is patterned either by sputtering ontopre-etched substrates or by etching the magnetic film.• Thermo-magnetic patterning, which exploits the temperature dependance of coercivityto locally reorient the magnetization.• Micro magnetic imprinting, which consists of organizing magnetic powder with the aidof the above-cited magnets, then embedding the powder into a polymeric matrix.Such micro-magnets are autonomous, having no requirements for a cumbersome externalfield source nor power supply.Here we demonstrate the potential to develop autonomous devices based on micromagnetarrays. Controlled positioning using superparamagnetic particles as a model is shown at first.Then, the magnet arrays are used to study endocytic processes using magnetically labelledbiological elements.In a step towards device integration, microfluidic channels are produced above themagnet arrays. Magnetic and non-magnetic particles are pumped through the devices andprecise positioning, as well as guiding and sorting are performed. High purity is obtained inthe sorted solutions.The good results obtained in the development of micromagnetic flux sources, integrationinto microdevices and particle/cell handling and sorting indicate the high potential of thiswork for actual biological and medical applications. Moreover, the biocompatibility andautonomy of such devices allow their use in micro-total-analysis systems, point-of-care orimplantable devices.Les micro et nano billes magnétiques sont de plus en plus utilisées en Biologie et enMédecine, pour une large gamme d’applications. Plusieurs applications utilisent le piégeageet le guidage de ces billes sous l’effet d’un champ et d’un gradient de champ magnétique.Dans la plupart des applications le champ magnétique est macroscopique, créé par un aimantou un électro-aimant. L’intégration plus poussée est souvent envisagée, dans les articlesscientifiques, par des microbobines ou par des éléments magnétiques doux. Ceux-ci doiventalors être polarisés par un champ externe (de nouveau, un électroaimant ou un aimant).Les micro-aimants mis au point à l’Institut Néel permettent d’obtenir les mêmesinductions que les meilleurs aimants du marché et, par conséquent, de par la réductiond’échelle, des gradients de champ intenses. Ils sont, de plus, favorables à l’autonomie et àla stabilité du système. Le défi est de produire de bonnes couches magnétiques avec desdimensions de l’ordre de 1 à 100 μm et de les intégrer à des Bio-Mag-MEMS.Le dépôt physique par phase vapeur (pulvérisation cathodique triode) est utilisé pourle dépôt de ces aimants de haute qualité, en couche épaisse, et à base de terres-rares. Dansle but d’optimiser les gradients latéraux des champs magnétiques, trois techniques ont étédéveloppées:• Le topographic patterning, dans lequel une couche est structurée géométriquement,soit par dépôt sur un substrat pré-gravé, soit par gravure humide après le dépôt.• Le thermo-magnetic patterning, qui exploite la dépendance thermique de la coercivitépour réorienter localement l’aimantation de la couche.• Le micro magnetic imprinting, qui consiste à organiser des particules magnétiquesà l’aide des aimants mentionnés ci-dessus et, ensuite, de les noyer dans une couchepolymérique.Les micro-aimants présentent l’avantage, majeur pour un microsystème, d’êtreautonomes. Ils ne nécessitent pas de source externe de champ magnétique, ni d’alimentationélectrique. Lors de ces travaux, nous développons des prototypes de microsystèmes fluidiquesautonomes basés sur des réseaux de micro-aimants. En premier lieu, la capture parattraction et le positionnement controllé, en utilisant des particules superparamagnétiquescomme modèle. Puis, l’étude de phénomènes d’endocytose à l’aide d’éléments biologiquesmarqués magnétiquement. Dans le but de passer à l’intégration des systèmes, des canauxmicrofluidiques sont développes sur les réseaux magnétiques. Des particules magnétiques etnon-magnétiques sont introduites dans les canaux et leur positionnement, guidage et tri sontréalisés. L’analyse des solutions triées indique une haute efficacité du système.Les résultats obtenus lors du développement de ces micro-sources de champ magnétiqueset de leur intégration dans des microsystèmes, ainsi que la manipulation et tri de particules,démontrent le grand potentiel de ces recherches pour des applications grand public à dessystèmes biologiques et médicaux. De plus, la biocompatibilité et l’autonomie de ces systèmespermettent leur utilisation dans des microsystèmes d’analyse totale (μTAS), des systèmespoint-of-care (POC) et des implants biomédicaux, potentiellement jetables et bas coût