Lors de ce projet, j'ai pu mettre en pratique la théorie vue en cours au sujets des micro-electro-mechanical-systems (MEMS) et de la microfluidique. Les questions d'étanchéité et de manufacturing sont bien plus importantes que je ne pensais.
J'ai pu m'essayer à la simulation multiphysique et confronter différentes options de paramétrage (Eulérien/Lagrangien pour le fluide), me poser de nombreuses questions sur les conditions aux limites et critères de convergences. Je me suis fortement amélioré en CAO pour construire des modèles robustes utilisables à travers différents logiciels et méthodes de fabrications.
J'ai du apprendre à gérer mon temps ( Diagramme de Gantt, révisions hebdomadaires et mensuelles) mais aussi gérer celui de prestataires internes suivant leurs disponibilités afin de réaliser mes prototypes. La documentation de ce projet était essentielle et j'ai du faire preuve de beaucoup de rigueur (récompensée par la note la plus haute)
Ce que j'ai appris
Voici quelques compétences que j'ai acquises durant ce projet
Résumé
Ce projet était le sujet de ma thèse de master. Je l'ai réalisé dans un institut de recherche sur les microstructures (IMT) rattaché au Karlsruhe Institut of Technology (KIT) à Karlsruhe en Allemagne dans le cadre d'un double diplôme franco-allemand en génie mécanique avec l'INSA Lyon. Ce projet m'a attiré car, mêlant les microsystèmes et la biologie, il était le projet qui se rapproche le plus de la recherche dans les dispositifs médicaux.
Le projet présenté dans cette thèse de master traite du défi que représente la combinaison de la microfluidique et de la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (NMR en anglais). La combinaison de ces deux domaines présente un grand potentiel, car elle fournit déjà de nombreuses informations et pourrait apporter de nouvelles connaissances sur les expériences RMN, en particulier en ce qui concerne l'analyse des micro et nanoparticules en RMN.
L'objectif de cette thèse était d'étudier la faisabilité d'une puce microfluidique ajustable et compatible avec la RMN pour la filtration et la fixation de particules. Pour atteindre cet objectif, nous avons utilisé des simulations numériques à l'aide de COMSOL Multiphysics 6.0 sur des conceptions réalisées avec SolidEdge ST10, puis nous avons construit des prototypes à l'échelle macroscopique et microscopique. Afin de vérifier la fonctionnalité des prototypes, nous avons utilisé deux techniques de caractérisation.
Principales exigences du système :
- Permettre l'ajustement de la taille de la structure de fixation afin de permettre la fixation, la filtration et la libération de particules de différentes tailles.
- Minimiser le stress subi par les particules afin d'éviter de les endommager.
- Ne contenir aucun matériau ferromagnétique susceptible d'endommager l'appareil de RMN.
- Être aussi uniforme que possible afin de ne pas perturber le champ magnétique.
- S'adapter à une zone de détection de 1,2 mm de diamètre.
- S'adapter au support de 5 mm de large et disposant d'un espace de 500 μm d'épaisseur pour l'insertion de la puce.
- Ne pas fuir et résister à la pression, sous peine d'endommager le spectromètre RMN.
Recherches bibliographiques et premières idées
Lors de ces 7 mois passionnants, j'ai pu effectuer une recherche bibliographique approfondie pour comprendre les concepts et faire des premiers choix de stratégie. J'ai ensuite créé plusieurs designs en CAO pour les tester avec un logiciel de simulation numérique par éléments finis (Comsol multiphysics), d'abord uniquement la mécanique du solide, puis la mécanique des fluides pour aboutir à des simulations multiphysiques.
Premier prototype et expériences
J'ai pu fabriquer un premier prototype à l'échelle macroscopique comme preuve de concept si jamais je n'avais pas le temps de terminer le développement du prototype à l'échelle microscopique. Ce premier prototype m'a permit de confronter les simulations réalisées à cette échelle avec la réalité ainsi que de me familiariser avec les appareils et protocoles de mesures (interférométrie à lumière blanche, microscopie optique et numérique) et les pompes que j'utiliserai pour la version finale.
Amélioration de la conception et de la simulation puis second prototype
J'ai pu reprendre et affiner la conception et les simulations en accord avec le matériel disponible et les procédés de fabrication utilisables à l'institut. Le temps et le budget de ce projet étant limités, il était nécessaire d'utiliser les ressources disponibles sur place. Le prototype à l'échelle macroscopique a été réalisé avec de la découpe laser et des outils comme une perceuse à colonne, scalpel et colle UV ainsi qu'une membrane en PDMS, des plaques en PMMA, des connecteurs pour tubes et des ensembles vis-écrous. Le prototype à l'échelle microscopique a été réalisé avec 2 disques de silicium, une membrane en PDMS et des procédés d'impression 3D résine, de gravure sur le Silicium en utilisant des masques découpés au laser, de la découpe laser directement sur le silicium ainsi que l'utilisation d'une soudure au plasma d’oxygène entre la membrane en PDMS et le silicium.
Parmi les 4 prototypes microscopiques réalisés, un seul atteignait les standards de qualités : Pas de fuites, alignement des éléments. Cette série de prototypes m'a permis d'améliorer le procédé de fabrication à chaque étape comme avec l'optimisation des paramètres et la création d'outils.
Expériences à l'échelle microscopique
L'unique prototype final a pu être testé pour son fonctionnement théorique avec de l'interférométrie à la lumière blanche puis en conditions réelles avec des bactéries E.Coli sous un microscope à fluorescence. Ces tests ont permis de comparer les résultats réels et les simulations.
Résultats et conclusion
Bien que nous ayons pu atteindre certains de nos objectifs, nous avons rencontré de nombreux défis:
Nous avons simulé avec succès le comportement du système en utilisant la simulation numérique multiphysique.
Nous avons réussi à construire un prototype à l'échelle microscopique et à le tester. Cependant, nous avons rencontré des problèmes d'étanchéité au niveau des connecteurs (entre les tubes et la puce) ce qui a créé des fuites lors de la dernière expérience. Nous n'avons donc pas pu tester la puce dans le spectromètre à résonance magnétique nucléaire.
Le principe d'activation a montré des résultats prometteurs mais il faudrait plus de travail et d'expériences pour assurer un fonctionnement précis.
Dans l'ensemble, bien que nous n'ayons pas pu atteindre tous nos objectifs, nous pensons que nos travaux fournissent des informations précieuses et jettent les bases de futures recherches sur les puces microfluidiques compatibles avec la RMN pour la filtration et la fixation des particules.
Images et graphes
Ces images et graphes sont tirées de ma thèse de master et ne sont ici qu'à des fins d'illustration.
Pour plus de détails sur les résultats, designs et graphes, merci de me contacter grâce aux coordonnées de l'onglet Contactez-moi
