Conception et réalisation d'un micro-injecteur matriciel pour la fonctionnalisation des biopuces
Résumé
The aim of this thesis has been to design and fabricate a matrix of ejectors for in-situ synthesis of oligonucleotides on DNA chip. The approach we propose consists using a matrix of ejectors in order to deposit locally droplets of nucleotides on hybridization cells and to synthesize the required oligonucleotide sequences step by step in parallel. The difficulty of this technique lies on the ability of the micro injector head to eject from any ejector independently from each other. The advantages of the method we propose are the low cost and high flexibility of equipment, and the high density of hybridization units that can be fonctionnalised using this approach. Different actuation principles existing in ejection field have been investigated and finally, the thermal actuation has been chosen. This injection working principle is based on the thermal ink jet printing technique. A heater resistor, in close contact with the liquid to be ejected, generates the nucleation of a gas bubble in the fluid. When the pulse current goes through the heater with a sufficient during and power, the bubble growths until to eject a small droplet through the nozzles of the injectors. The particularity of the matrix of ejectors that we have designed, resides in the ability to actuate any ejector independently without thermal interactions between neighboured heaters. With these considerations, simulations have been realized with FEM simulation under ConventorWare software. The final design integrates on a thin dielectric and stress free membrane, polysilicon heater resistors, and SU8 photopolymerised nozzles. The first characterisations of the devices have shown that ejection occurs with pulse durations and tension intensity from 50µs (25V) to 50ms (5V) and that the ejected volume ranges from 0.1pl to 3nl.
Cette thèse porte sur la conception et la réalisation d'un microsystème d'éjection matriciel pour la fonctionnalisation in-situ des puces à ADN. L'objectif est de concevoir et réaliser un système flexible, peu onéreux et performant permettant le dépôt localisé de micro-gouttes de réactifs (nucléotides en solution dans l'acétonitrile en l'occurrence) sur la surface de la biopuce afin de synthétiser les séquences d'oligonucléotides in-situ. Les avantages d'un tel système sont le faible coût de l'équipement, une grande flexibilité dans le choix des séquences synthétisées et la possibilité de réaliser des puces à fortes densités d'unités d'hybridation. Après examen des différentes possibilités d'actionnement, l'éjection par actionnement thermique a été retenue. Le principe s'inspire du jet d'encre thermique mais la difficulté essentielle vient du fait que les éjecteurs sont disposés de façon matricielle avec une très grande densité et doivent être commandables individuellement les uns des autres. La conception du micro-injecteur passe par la compréhension du mécanisme d'éjection et nous a amené à traiter des aspects théoriques de l'ébullition et de l'éjection. Une première structure a été conçue et réalisée, devant répondre au cahier des charges imposé par l'application ainsi qu'à l'impératif d'une bonne reproductibilité de l'éjection. A ces fins, différentes simulations par des méthodes à éléments finis ont été effectuées à partir du logiciel CoventorWare. La structure retenue intègre des résistances chauffantes sur une fine membrane diélectrique et les buses d'éjection sont réalisées en résine photosensible SU8. Les propriétés du dispositifs permettent d'atteindre localement des températures suffisamment importantes pour provoquer la nucléation homogène des bulles gazeuses tout en confinant la chaleur générée autour d'une buse d'éjection, sans interaction thermique avec les voisines. Les éjecteurs réalisés ont été caractérisés et il a ainsi été montré que des g outtel ettes de 0,1pl à 3nl pouvaient être éjectées lorsque la tension d'alimentation varie entre 25V et 5V et l'impulsion électrique d'alimentation durait de 50µs à 50ms.
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