Development of a magnetic microdevice for the control and detection of immunoassay complexes based on magnetic nanoparticles

L’objectif de cette thèse est la fabrication d’un microdispositif magnétique pour la détection et la manipulation d’éléments biologiques à base de nanoparticules magnétiques en conditions microfluidiques. Il a pour but d’intégrer des fonctions de base de contrôle et détection magnétique, pour atteindre des mesures spécifiques, stables, rapides et reproductibles. En effet, la technique d’immunodosage couplée à des nanoparticules magnétiques, bien connue dans la littérature, nécessite un contrôle du déplacement de ces dernières pour les fonctionnaliser efficacement et créer un complexe biologique encapsulant une molécule cible (biomarqueur). Dans notre cas une molécule modèle pour le domaine de la biodéfense a été utilisée : l’ovalbumine. Pour contrôler le champ magnétique nécessaire pour la capture des complexes magnétiques, nous avons opté pour l’utilisation de microbobines intégrées aux dispositifs fluidiques et comparé cette technique originale avec d’autres plus conventionnelles. Pour détecter un complexe biologique, la fluorescence est largement utilisée en biologie, mais cette technique ne permet pas une intégration complète pour un dispositif autonome. Dans cette optique, nous proposons la détection des complexes à base de nanoparticules magnétiques en relevant la variation de l’inductance d’un microcircuit magnétique refermant une chambre microfluidique contenant ces complexes immunologiques. Le dimensionnement des microbobines de contrôle par simulation a permis de déterminer les paramètres permettant d’obtenir le champ magnétique le plus adapté au contrôle des complexes biologiques. Dans le cas des microbobines utilisées pour la détection, des branches magnétiques micrométriques ont été insérées autour des microbobines pour créer un circuit de détection magnétique encore plus sensible. La réalisation de ces dispositifs a impliqué l’intégration de matériaux et de structures de nature fortement hétérogène, et leur assemblage a nécessité de résoudre de nombreux verrous technologiques. L’enjeu a été de déterminer l’ensemble des étapes successives et nécessaires pour un procédé de microfabrication fiable et reproductible. Pour montrer l’intérêt des dispositifs de capture des nanoparticules magnétiques, des tests immunologiques ont été réalisés tout d’abord en microtubes pour les comparer à ceux réalisés dans un circuit fluidique à l’aide d’aimant externe puis de microbobines intégrées. Dans ce dernier cas, une optimisation considérable a été validée en termes de réduction de temps d’incubation, de reproductibilité des mesures et de limites de détection équivalentes à l’état de l’art pour l’ovalbumine. Pour le dispositif de détection magnétique, des premières expériences de caractérisation électrique ainsi que des études en concentration de nanoparticules magnétiques ont été réalisées et comparées aux résultats obtenus par simulation. Pour la preuve de concept, un démonstrateur de détection de complexes magnétiques a été également finalisé validant la possibilité d’intégration du microcircuit magnétique dans un dispositif fluidique. Il a validé également l’obtention d’une gamme de sensibilité remarquable corrélée à la présence des complexes magnétiques. Ses caractéristiques ont été confrontées à celles obtenues par les simulations et discutées en tenant compte de toutes les étapes critiques du procédé de microfabrication.RésuméThe objective of this thesis is the fabrication of a magnetic microdevice for the detection and manipulation of biological elements based on magnetic nanoparticles under microfluidic conditions. It aims to integrate basic functions of control and magnetic detection, to achieve specific, stable, fast and reproducible measurements. Indeed, the immunoassay technique coupled to magnetic nanoparticles, well known in the literature, requires a control of the displacement of magnetic nanoparticles to effectively functionalize them and create a biological complex to encapsulate a target molecule (biomarker). In our case, a model molecule for the field of biodefense was used: ovalbumin. To control the magnetic field which is necessary for the capture of magnetic complexes, we opted for the use of microcoils integrated in the fluidic devices and compared this original technique with other more conventional ones. To detect a biological complex, fluorescence is widely used in biology, but this technique does not allow a complete integration for an autonomous device. In this context, we propose the detection of complexes based on magnetic nanoparticles by observing the variation of the inductance of a magnetic microcircuit closing a microfluidic chamber containing these immunological complexes. The design of the control microcoils by simulation made it possible to determine the parameters allowing to obtain the most adapted magnetic field to the control of the biological complexes. In the case of microcoils used for detection, micrometric magnetic branches were inserted around the microcoils to create an even more sensitive magnetic sensing circuit. The realization of these devices involved the integration of materials and structures of highly heterogeneous nature, and their assembly has required to solve many technological locks. The challenge was to determine all the successive and necessary steps for a reliable and reproducible microfabrication process. To show the interest of magnetic nanoparticle capture devices, immunoassays were first performed in microtubes to compare with those made in a fluid circuit using external magnet and integrated microcoils. In the latter case, considerable optimization has been validated in terms of reduction of incubation time, reproducibility of measurements and detection limits equivalent to the state of the art for ovalbumin. For the magnetic detection device, first experiments of electrical characterization as well as concentration studies of magnetic nanoparticles were carried out and compared to the results obtained by simulation. For the proof of concept, a demonstrator of detection of magnetic complexes was also finalized validating the possibility of integration of the magnetic microcircuit in a fluidic device. It has also validated obtaining a remarkable range of sensitivity correlated with the presence of magnetic complexes. Its characteristics were compared to those obtained by the simulations and discussed taking into account all the critical steps of the microfabrication process