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Description illustration de l'article

5C809

Microfluidique : Principes, Procédés et Applications

 

Mots clés : microfluidique, lab on a chip, microreacteurs, instrumentation, microfabrication, fonctionnalisation de surfaces, transferts thermique, hydrodynamique, polymères, procédés chimiques et biochimiques à petite échelle

Responsable

J. Fattaccioli, MdC, UMR 8640 PASTEUR (ENS/CNRS/Sorbonne Université) – IPGG, Sorbonne Université

ECTS

Cours

TD

TP

Tutorat

Ecrit

CC

TP

Oral

Eval. répartie

6

36

 

12

12

30

 

30

40

non

Descriptif de l’UE

Cette UE vis à introduire et développer les principes physiques en jeu dans le fonctionnement des laboratoires sur puce (hydrodynamique, électrostatique, mouillage, advection, etc.), les méthodes de fabrication à petite échelle (lithographie dure et molle, fonctionnalisation de surface, etc.) et les éléments d’instrumentation permettant de réaliser des choix avisés pour la réalisation de microsystèmes (pompes, détecteurs, etc.). L’approche pédagogique partira des applications pour aller vers les systèmes et les choix technologiques associés.
L’UE s’adresse à un public de chimistes, de biologistes ou de physiciens qui désirent avoir une vision globale des systèmes microfluidiques et de leurs applications (lab on chip, organes sur puce, synthèse de nanocristaux, diagnostic, chimie de synthèse, etc.).
Dans le cadre du parcours IC, elle complète naturellement l’UE d’Intensification des Procédés (5C810), ainsi que les parcours orientés vers la formulation (5C608), la physico-chimie au sens large comprise dans le cadre des parcours matériaux ou CAPT, et enfin l’imagerie (5C207)

Du fait des TP et du nombre de postes expérimentaux disponibles, cette UE est soumise à un numerus clausus de 12 ou 16 étudiants (2x3 ou 4 binômes).

Objectifs d’apprentissage

A l’issue de la formation, l’étudiant(e) aura acquis les bases théoriques des principes physiques en jeu dans les microsystèmes. Il/Elle sera en mesure, à partir d’un système réel, de proposer une voie de conception, de dimensionnement et de fabrication qui tienne compte de contraintes techniques et/commerciales associées aux divers composants disponibles sur le marché.
Ces objectifs seront atteints par un enseignement en cours magistral, un projet de « conception » de système en groupe et la réalisation de travaux pratiques.

PrErequis

De part les phénomènes, les échelles spatiotemporelles et les applications en jeu, de bonnes bases en physico-chimie sont souhaitables pour un bon suivi de l’UE. Ces notions correspondent aux extraits de l’ouvrage suivant :
Chimie Physique, P. Atkins, J. de Paula, J. Touilles, M. Mottet, 4è édition, Ed. De Boeck
Partie 1 en intégralité, Partie 2 (chapitre 12 à 19), partie 3 : (chapitre 20 à 23)
Un goût pour la pluridisciplinarité, l’ingéniérie et la technologie est un plus dans le cadre de ces enseignements.

Langue(1)

Cours, TD, TP

Documents

Bibliographie

Anglais/Français

Anglais/Francais

Anglais

Anglais

(1) D’une manière générale, les documents de cours sont à rédiger en anglais. Les sujets d’examen sont en anglais ou accompagnés d’une explication en anglais s’il y a des étudiants non francophones.

 

Fonctionnement de l’UE

Enseignement

 

Les enseignements magistraux de l’UE sont divisés en séances d’une durée d’une ou deux demi-journées. Ces séances sont animées par des chercheurs et enseignants-chercheurs ayant pour spécialité les thèmes traités. Les cours se divisent en cours transversaux, dont les notions sont communes au champ de la microfluidique, et en cours plus thématiques, plus spécifiques. Globalement, la pluridisciplinarité est la règle, comme le montre la liste des thèmes de cours ci-dessous :

  • Cours transversaux
    • Principes physiques pour les microsystèmes :
    • Microfabrication silicium, PDMS et NOA
    • Fonctionalisation de surface par voie liquide et voie plasma
  • Cours thématiques
    • Nanofabrication
    • Applications de la microfluidique en biologie
    • Applications à la formulation
    • Synthèse inorganique de particules
    • Microfluidique, champ électrique et diagnostic

Projet bibliographique en groupe (1-3 étudiants)

Le but du projet est de partir d’une problématique actuelle et concrète qui soit plus générale que chacun des enseignements de l’UE, puis de laisser un groupe d’étudiant(e)s travailler en petit groupe pour présenter de manière synthétique leur document bibliographique et les solutions qu’ils proposent.
Le travail en groupe doit permettre aux étudiants d’étudier la littérature, les solutions disponibles sur le marché, d’éventuellement contacter les fabricants et de proposer des solutions « maison » si nécessaire. A la fin du travail, il y aura toutes les informations nécessaires pour faire un choix technique raisonné. La notation du projet prendra compte explicitement de la prise d’initiative des étudiants.
Les sujets traités ces dernières années ont traité par exemple des organes sur puce (organ-on-a-chip), l’encapsulation de principes actifs, l’intensitfication des procédés de synthèse, les mesures mécaniques en microsystème pour le diagnostic, etc.

Travaux pratiques

Le but des travaux pratiques est de pouvoir mettre en œuvre les principes de base de la microfluidique et de réaliser un procédé complet de fabrication et d’étude par binôme.
D’une durée de 3 demi-journées, une partie est consacrée à la fabrication en salle blanche, et une partie à l’étude des microsystèmes fabriqués, avec pour thème la réalisation de mélangeurs, de gradients spatiaux et la fabrication de gouttes.
Les travaux pratiques se déroulent à l’Institut Pierre-Gilles de Gennes pour la Microfluidique (http://www.institut-pgg.fr)

Évaluation

L’évaluation se fera en trois parties :

  • QCM sur l’ensemble de l’UE : 30% de la note finale
  • Rapport de recherche : 40% de la note finale
  • TP : 30% de la note finale

Ressources complEmentaires

Les étudiants intéressés peuvent, en amont de leur choix, ou tout au long du semestre, se référer aux ressources suivantes :

Internet

Livres

  • Introduction à la microfluidique, P. Tabeling, Ed. Belin
  • Microfluidics for Biotechnology, J. Berthier & P. Silberzan, Ed. Artech House Publishers
  • Introduction to microfabrication, S. Frassila, Ed. Wiley
  • Gouttes, bulles, perles et ondes, P.G. de Gennes, F. Brochard-Wyart, D. Quéré, Ed. Belin

Articles

  • Soft lithography, Y. Xia and G. Whitesides, Angew. Chem. Int. Ed. 1998, 37, 550 ± 575

Source : https://gmwgroup.harvard.edu/pubs/pdf/604.pdf

  • There’s plenty of room at the bottom, R. Feynman (1960)

Source : http://calteches.library.caltech.edu/47/2/1960Bottom.pdf