Conception et réalisation d'un microsystème robotisé de dépôt de liquide biologiques par microleviers en silicium pour l'élaboration de biopuces

Président de jury:G. Authié, Professeur, LAAS-CNRS, ToulouseRapporteurs:T. Coleman, Directeur de recherche, IBCP-CNRS, LyonD. Collard, Directeur de recherche, IEMN-CNRS, LilleExaminateurs:G. Pietu, Directeur de recherche, INSERM, ParisInvités:L. Bouet, Directeur Général Délégué, INNOPSYSM.C. Potier, Chargé de recherche, ESPCI-CNRS, ParisA. Martinez, Professeur INSA, LAAS-CNRS, ToulouseDirecteur de thèse:G. Garcia, Sous-Directeur LAAS-CNRS, Professeur INSA, ToulouseCo-directeur de thèse:C. Bergaud, Chargé de recherche, LAAS-CNRS, ToulouseBiochips allow to analyze thousands of samples (DNA, proteins) in hours and therefore to know which gene responds to the action of a certain molecule or takes part of a certain disease. Our work is focused on the design and fabrication of a miniaturized and robotized silicon-cantilever-based microsystem for biological sample deposition to elaborate biochips.After an overview of the different methods to fabricate biochips, we describe our goals. The association of a 50 nm precision positionning system and silicon micro-cantilevers was retained. The method is based on direct contact between those cantilevers and the biochip support. The deposition is made through capillary forces. The originality of our work relies on geometric dimensions (spots of a few microns in diameter), the use of minimal amount of biological samples (picoliters), enabling a lot of depositions with a single loading process. Another advantage relies on the mass production process of our cantilevers which makes our system particularly cost effective.Our study focuses on the checking of our approach on different aspects: a biological one showing our capability to realize DNA and proteins chips and deposit various liquids with a single cantilever; a mechanical one demonstrating our system's compatibility with micro- and nano-technologies (use of cantilevers, positioning and size).Then, the loading process of the cantilevers is highlighted: an electrowetting method is firstly used. Then dielectrophoresis which is well known to manipulate liquids is developped through the use of an electric field applied between aluminum passivated electrodes implemented along the cantilevers. Finally piezoresistors located along the cantilevers allow the detection of the contact with the support. Therefore we have an active control of both the loading process and the deposition process in order to waranty uniformity of contact force and contact time.Les biopuces permettent d'analyser en quelques heures des milliers de séquences (ADN ou protéines) et d'identifier quels gènes répondent à l'action d'une molécule ou sont impliqués dans une maladie. Le travail présenté porte sur la conception et la réalisation d'un système miniaturisé et robotisé de dépôt de produits biologiques par micro-leviers en silicium pour la réalisation de biopuces.Après un descriptif détaillé des différentes techniques pour fabriquer des biopuces, nous expliquons notre démarche et nos objectifs. La combinaison d'une plate-forme de positionnement ayant une précision de 50nm et de micro-leviers en silicium est retenue.La méthode de fabrication est basée sur l'utilisation de ces micro-leviers en silicium et la mise en place d'une technique de dépôt par contact direct entre ces outils et le support de la biopuce. Le dépôt s'effectue par capillarité. L'originalité de notre travail repose sur les dimensions géométriques (dépôts de quelques microns en diamètre), sur l'utilisation de volumes très faibles (quelques picolitres) donc la réalisation de nombreux spots avec un seul chargement de levier. Un autre avantage résidedans le fait qu'il est possible de produire ces leviers en masse, à faible coût en utilisant une technique de réalisation très simple.L'étude se poursuit sur la validation de cette approche suivant différents aspects: un aspect biologique démontrant la possibilité de réaliser des puces à ADN et à protéines et de déposer différents produits avec un seul et même levier; un aspect mécanique démontrant la compatibilité de notre approche avec les micro- et nano-technologies (utilisation des micro-leviers, positionnement et taille).Puis, le problème du chargement des microleviers est traité: une technique d'électromouillage est tout d'abord utilisée mais son efficacité reste limitée. Elle évolue vers la diélectrophorèse, technique connue pour permettre de transporter des liquides en modifiant l'équilibre des charges, où l'application du champ électrique se fait par des électrodes en aluminium passivées placées le long des leviers. Enfin, l'intégration de piézorésistances sur les leviers permet de détecter le contact avec le support. Ainsi, après le contrôle actif du chargement, on peut réaliser un contrôle actif du dépôt, en garantissant une uniformité dans la force d'appui et le temps de contact