Development of on-chip microrobotic system for 3D non-contact manipulation of biological material

Au cours du XXe siècle la littérature de science-fiction a anticipé le développement de robots si petits qu'ils puissent entrer dans un corps humain pour y manipuler ses cellules, voire son ADN. Depuis le début du XXIe siècle cette vision prend corps dans le développement de la micro-robotique. Bien que loin d'égaler les prouesses de son alter-ego littéraire, la micro-robotique se développe dans de nombreuses directions et voit son panel d'applications s'étoffer. En parallèle, le développement de la microfluidique permet de disposer d'environnements très contrôlés pour la réalisation de travaux en biologie ou en chimie. Mais cette nature confinée apporte des contraintes quant aux options de manipulation du contenu des puces microfluidiques. Aussi, sans en être à pouvoir travailler in-vivo la micro-robotique peut offrir des options de manipulation mécanique in-vitro en microfluidique. Cette thèse vise le développement d'un micro-robot ayant pour fonction d'offrir des fonctionnalités de manipulations par vortex hydrodynamiques de matériel biologique au sein de puces microfluidiques. Voulant proposer un système complet nous nous sommes intéressés aux quatre parties composant notre micro-robot : le nageur microscopique ayant pour vocation à être intégré dans la puce microfluidique et à générer les vortex de capture ; les puces microfluidiques servant d'environnement de travail pour ce nageur ; l'installation électromagnétique permettant de manipuler le nageur par le biais de champs magnétiques ; et le logiciel informatique pilotant le robot. Les micro-nageurs proposés sont capables de se déplacer en deux comme en trois dimensions tout en étant capables de capturer, et donc de manipuler, des particules d'une dizaine de micromètre de diamètre sur des distances de plusieurs millimètres. Nous n'avons malheureusement pas eu la possibilité d'aller jusqu'à la preuve de concept avec du matériel biologique, mais nos démonstrations sur des particules de polystyrène sont très encourageantes. Les puces microfluidiques ont vu deux développements successifs. Un premier consistant à les rendre plus adaptées à des travaux biologiques à long terme par l'ajout de valves pneumatiques et d'option d'oxygénation sur des puces à intégration temporaire du nageur. Un second visant à rendre les puces plus rapides et faciles à fabriquer avec une intégration définitive du nageur, pouvant servir dans le cas d'études à fort besoin matériel, comme les études statistiques. L'installation électromagnétique a été étudiée pour pouvoir être intégrée dans des configurations géométriques complexes avec comme exemple une intégration réussie dans un microscope inversé, outil très utilisé dans les laboratoires de biologie. Enfin nous avons développé un logiciel de contrôle visant à offrir à notre robot une interface utilisateur facile à employer et des fonctionnalités automatisées d'analyse vidéo et de contrôle du nageur sur une simple acquisition d'image en 2D. Nous espérons que ces travaux pourront servir d'étape significative vers une application de la micro-robotique en biologie ou en médecine.During the XXst century science fiction literature anticipated the development of robots so small that they could enter a human body to manipulate its cells, or even its DNA. Since the beginning of the XXIst century, this vision has taken shape in the development of micro-robotics. Although far from equaling the prowess of his literary alter-ego, micro-robotics develops in many directions and sees its panel of applications expand. In parallel, the development of microfluidics makes it possible to have a highly controlled environment for carrying out work in biology or chemistry. But this confined feature brings constraints on the manipulation options of microfluidic chip content. Also, without being able to work in-vivo, micro-robotics can offer in-vitro mechanical manipulation options in microfluidics. This thesis aims to develop a micro-robot whose function is to offer functional hydrodynamic vortex manipulations of biological material within microfluidic chips. Wanting to propose a complete system we are interested in the four parts composing our micro-robot. The microscopic swimmer intended to be integrated into the microfluidic chip and to generate the capture vortices. The microfluidic chips used as working environment for this swimmer. The electromagnetic facility used to manipulate the swimmer through magnetic field. And finally the computer software used to drive the robot. The micro-swimmers proposed are able to move in two as in three dimensions while being able to capture, and therefore manipulate, particles of about ten micrometers in diameter over distances of several millimeters. Unfortunately we did not have the opportunity to go to the proof of concept with biological material, but our demonstrations on polystyrene particles are very encouraging. Microfluidic chips have seen two successive developments. One is to make them more suitable for long-term biological work by adding pneumatic valves and oxygenation option on chip with temporary integration of swimmer. A second aimed at making chips faster and easier to manufacture with a definitive integration of the swimmer, which can be used in the case of studies with a strong material need, such as statistical studies. The electromagnetic facility has been studied to be integrated into complex geometrical configurations with, for example, a successful integration in an inverted microscope, a tool widely used in biological laboratories. Finally, we developed control software to provide our robot with an easy-to-use user interface and automated video analysis and swimmer control features with a simple 2D image acquisition. Therefor we believe that the developed system show in this thesis could be an essential step towards biological or biomedical application of micro-robotic