Capteur acoustofluidique à bulles fonctionnalisées pour la détection de bioanalytes

Le développement de la microfluidique au début du XXe siècle a permis l'essor de biocapteurs compactes, intégrés, et utilisables par un large public. Ces dispositifs ont pour but de détecter et souvent quantifier, un élément biologique appelé analyte (virus, bactérie, protéine, cellule...) circulant dans les fluides biologiques tels que le sang, la salive ou l'urine. Néanmoins, la plupart de ces biocapteurs possèdent un inconvénient commun : ils sont majoritairement jetables. En effet, la régénération de la surface de capture, plane et fixe au sein du dispositif, est compliquée voire impossible à mettre en œuvre, du fait des fortes liaisons chimiques mises en jeu entre la surface et les récepteurs. L'approche étudiée dans cette thèse consiste ainsi à transférer la surface de capture à une surface mobile et régénérable facilement au sein du dispositif. Les microbulles sont très étudiées en microfluidique digitale, du fait de leur comportement acoustique singulier. Les microbulles sont à l'origine d'avancées majeures dans le domaine biomédicale, notamment en imagerie et en thérapie. L'objectif de cette thèse est d'exploiter la surface de bulles générées au sein d'une puce microfluidique comme interface de capture. Le capteur microfluidique intègre notamment les étapes de fonctionnement suivantes : génération et fonctionnalisation en surface des microbulles, organisation statique des bulles au sein d'une chambre, injection du liquide d'analytes et capture en surface. Le couple biotine/streptavidine est utilisé afin de démontrer l'efficacité du capteur. Par ailleurs, afin d'obtenir une méthode de détection sensible, sans marquage et intégrée, la détection est évaluée par sondage acoustique du milieu bulleux. La régénération se fait alors de manière quasi immédiate, par évacuation des bulles avant régénération. Dans un premier temps, la microfabrication de la puce microfluidique en PDMS/Verre présentant une architecture permettant d'effectuer l'ensemble des étapes fluidiques de fonctionnement du capteur a été réalisée. Les bulles sont générées à l'aide d'une jonction-T en contrôlant le débit et la pression de la phase continue (tensioactifs+PBS) et de la phase disperse (air). La fonctionnalisation de la surface des microbulles est effectuée directement à la génération, en mélangeant les lipides à la phase continue. L'organisation statique des microbulles se fait au sein d'une chambre carré en fermant une vanne tout-ou-rien placée en sortie de montage. L'injection du liquide d'analytes se fait par contrôle précis de la pression d'injection, le fluide d'analytes étant injecté dans la chambre par des canaux latéraux sous forme de fouches en arborescence. La capture de streptavidine en surface des bulles a ainsi été validé par marquage fluorescent.Dans un second temps, l'étude numérique par éléments finis de l'interaction onde acoustique et bulles fonctionnalisées au sein de la cellule fluide est étudiée, afin de déterminer les stratégies pouvant mener à la détection d'analyte en surface de bulles d'air. L'influence de plusieurs paramètres sur la réponse acoustique des bulles sont étudiés: la proximité des parois des canaux, la géométrie écrasée des bulles ainsi que la fonctionnalisation en surface modélisée par une coque viscoélastique. Les stratégies de détection étudiées reposent sur l'étude du cristal phononique de bulles et de son diagramme de dispersion, ainsi que sur les modes couplées de cavité et de bulles. Finalement, l'intégration d'un transducteur acoustique sur des puces en Silicium/Verre pour l'excitation d'un mode acoustique sensible à la capture en surface des bulles a été mis en œuvre. Un patch piézoélectrique associé à un analyseur d'impédance sont ainsi intégré au montage. Les résultats montrent un mode acoustique sensible à la dynamique des bulles au sein de la cavité ainsi qu'à la nature de leur coque.