Thèse Année : 2024

Development of lab-on-a-chip fabrication process based on chitosan : towards a reduction in the use of petro-sourced polymers

Développement d'un procédé de fabrication de laboratoire sur puce à base de chitosane : vers une réduction de l'utilisation des polymères pétro-sourcés

Résumé

Lab-on-a-chip (LoC) are microfluidic devices that are increasingly used in biomedical and environmental analysis. It is expected that millions of these devices will be used daily in hospitals and homes in the coming years. However, they are mainly single-use devices, and most of them are manufactured from hydrocarbons (thermoplastics or PDMS), resulting in significant pollution due to their production and disposal, either by incineration or by being dumped in open-air landfill sites. To offer an eco-responsible alternative, we have developed a fabrication process for microfluidic devices from chitosan, a bio-sourced, biodegradable, and biocompatible polysaccharide. We compared several strategies to obtain transparent and thick films from chitosan powder, that minimizes their swelling in aqueous solution. Furthermore, their mechanical and physical properties (rugosity, hydrophobicity, Young’s modulus, hardness) were characterized. Both hot-embossing and micro-drilling were investigated to produce microchannels on the resulting chitosan films. Then, an adhesion step based on the deposition of a dry photoresist on micro-structured chitosan films enabled their bonding to either a glass slide or another chitosan film. We were then able to prepare the first functional chitosan microfluidic devices. Their behaviors (range of flowrates and duration, diffusion of molecules, channel deformation) during injection were examined. Finally, cells (ML-2 or MDA-MB-231) were successfully cultivated on chitosan films. This led to the implementation in a chitosan microfluidic device of a cell culture chamber allowing the observation over a few days of their behavior. This study paves the way for the development of eco-friendly lab-on-a-chip integrating various functions.
Les laboratoires sur puce (LoC) sont des dispositifs microfluidiques de plus en plus utilisés dans les domaines de l’analyse biomédicale ou environnementale. Il est estimé que des millions de ces dispositifs seront utilisés quotidiennement dans les hôpitaux et foyers dans les années à venir. Or, ils sont principalement à usage unique et majoritairement fabriqués à partir d’hydrocarbures (thermoplastiques ou PDMS), générant une pollution environnementale importante due à leur fabrication et à leur destruction soit par incinération, soit par dépôt dans des décharges à ciel ouvert. Pour proposer une alternative éco-responsable, nous avons développé un procédé de fabrication de ces dispositifs microfluidiques à partir de chitosane, un polysaccharide biosourcé, biodégradable et biocompatible. Nous avons comparé plusieurs stratégies pour obtenir des films transparents et épais à partir de chitosane en poudre, en minimisant leur gonflement dans une solution aqueuse. En outre, leurs propriétés mécaniques et physiques (rugosité, hydrophobicité, module de Young, dureté) ont été caractérisées. Le pressage à chaud et la micro-gravure ont été étudiés pour produire des micro-canaux sur les films de chitosane obtenus. Ensuite, une étape d'adhésion basée sur le dépôt d'une résine sèche sur les films de chitosane micro-structurés a permis de les coller soit à une lame de verre, soit à un autre film de chitosane. Nous avons alors pu fabriquer les premiers dispositifs microfluidiques fonctionnels en chitosane. Leurs comportements (gamme de débits et durées, diffusion de molécules, déformation des canaux) pendant l'injection ont été examinés. Enfin, des cellules (ML-2 ou MDA-MB-231) ont été cultivées avec succès sur les films de chitosane. Ceci a conduit à l'implémentation d'une chambre de culture cellulaire dans un dispositif microfluidique en chitosane, permettant l'observation sur quelques jours de leur comportement. Cette étude ouvre la voie au développement de LoC éco-responsables intégrant diverses fonctions.
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Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04957586 , version 1 (19-02-2025)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04957586 , version 1

Citer

Morgane Zimmer. Développement d'un procédé de fabrication de laboratoire sur puce à base de chitosane : vers une réduction de l'utilisation des polymères pétro-sourcés. Autre. Ecole Centrale de Lyon, 2024. Français. ⟨NNT : 2024ECDL0044⟩. ⟨tel-04957586⟩
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