THÈSE pour obtenir le grade de Docteur de l’Université de Grenoble Spécialité : Génie Electrique Arrêté ministériel : 7 août 2006 Présentée par Luiz Fernando ZANINI Ingénieur Matériaux par l’Université Fédérale de Santa Catarina, Brésil Thèse dirigée par Gilbert REYNE et 3 co-encadrée par Frédéric DUMAS-BOUCHIAT 1 0 2 y a préparée au sein du Laboratoire de Génie Electrique de M Grenoble 3 - 1 et de l’Institut Néel n o si Ecole Doctorale: EEATS - Electronique, Electrotechnique, r e Automatique, Télécommunication, Signal v , 7 1 3 0 2 8 0 Bio-Mag-MEMS autonomes basés sur 0 - el des aimants permanents t Thèse soutenue publiquement le 18 février 2013 devant le jury composé de : Dr. Anne-Marie GUE (Rapporteuse) Dr. Paulo WENDHAUSEN (Rapporteur) Dr. Stéphanie DESCROIX (Examinatrice) Dr. Marie FRENEA-ROBIN (Examinatrice) Dr. Gilbert REYNE (Directeur de thèse) Dr. Frédéric DUMAS-BOUCHIAT (Co-encadrant) Dr. Nora DEMPSEY (Invitée) 3 1 0 2 y a M 3 - 1 n o si r e v , 7 1 3 0 2 8 0 0 - el t Abstract The range of applications for magnetic micro- and nano-particles is constantly expanding, in particular in medicine and biology. A number of applications involve particle trapping and deviation under the effect of a magnetic field and field gradient. In most publications, the required magnetic fields are produced either using soft magnetic elements polarized by an external magnetic field, electromagnets or bulk permanent magnets. Micromagnets produce high fields and favor autonomy and stability while downscaling leads to an increase of field gradients. The challenge is to produce good quality, hard magnetic films in the range of 1 to 100 µm both in thickness and lateral dimensions and to integrate them into a Bio-Mag-MEMS. Physical vapor deposition (triode sputtering) is used to prepare high quality rare earth magnets in thick film form. In order to obtain field gradients in the lateral directions, three techniques have been developed: 3 1 0 2 y • Topographic patterning, in which the film itself is patterned either by sputtering onto a M pre-etched substrates or by etching the magnetic film. 3 - • Thermo-magnetic patterning, which exploits the temperature dependance of coercivity 1 n to locally reorient the magnetization. o si er • Micro magnetic imprinting, which consists of organizing magnetic powder with the aid v of the above-cited magnets, then embedding the powder into a polymeric matrix. , 7 1 3 0 2 Suchmicro-magnetsareautonomous, havingnorequirementsforacumbersomeexternal 8 0 field source nor power supply. 0 - el Herewedemonstratethepotentialtodevelopautonomousdevicesbasedonmicromagnet t arrays. Controlledpositioningusingsuperparamagneticparticlesasamodelisshownatfirst. Then, the magnet arrays are used to study endocytic processes using magnetically labelled biological elements. In a step towards device integration, microfluidic channels are produced above the magnet arrays. Magnetic and non-magnetic particles are pumped through the devices and precise positioning, as well as guiding and sorting are performed. High purity is obtained in the sorted solutions. The good results obtained in the development of micromagnetic flux sources, integration into microdevices and particle/cell handling and sorting indicate the high potential of this work for actual biological and medical applications. Moreover, the biocompatibility and autonomy of such devices allow their use in micro-total-analysis systems, point-of-care or implantable devices. 3 3 1 0 2 y a M 3 - 1 n o si r e v , 7 1 3 0 2 8 0 0 - el t Résumé Les micro et nano billes magnétiques sont de plus en plus utilisées en Biologie et en Médecine, pour une large gamme d’applications. Plusieurs applications utilisent le piégeage et le guidage de ces billes sous l’effet d’un champ et d’un gradient de champ magnétique. Danslaplupartdesapplicationslechampmagnétiqueestmacroscopique, crééparunaimant ou un électro-aimant. L’intégration plus poussée est souvent envisagée, dans les articles scientifiques, par des microbobines ou par des éléments magnétiques doux. Ceux-ci doivent alors être polarisés par un champ externe (de nouveau, un électroaimant ou un aimant). Les micro-aimants mis au point à l’Institut Néel permettent d’obtenir les mêmes inductions que les meilleurs aimants du marché et, par conséquent, de par la réduction d’échelle, des gradients de champ intenses. Ils sont, de plus, favorables à l’autonomie et à la stabilité du système. Le défi est de produire de bonnes couches magnétiques avec des dimensions de l’ordre de 1 à 100 µm et de les intégrer à des Bio-Mag-MEMS. 3 1 0 Le dépôt physique par phase vapeur (pulvérisation cathodique triode) est utilisé pour 2 le dépôt de ces aimants de haute qualité, en couche épaisse, et à base de terres-rares. Dans y a M le but d’optimiser les gradients latéraux des champs magnétiques, trois techniques ont été 3 développées: - 1 • Le topographic patterning, dans lequel une couche est structurée géométriquement, n o soit par dépôt sur un substrat pré-gravé, soit par gravure humide après le dépôt. si r e • Le thermo-magnetic patterning, qui exploite la dépendance thermique de la coercivité v , pour réorienter localement l’aimantation de la couche. 7 1 3 • Le micro magnetic imprinting, qui consiste à organiser des particules magnétiques 0 2 8 à l’aide des aimants mentionnés ci-dessus et, ensuite, de les noyer dans une couche 0 0 polymérique. - el t Les micro-aimants présentent l’avantage, majeur pour un microsystème, d’être autonomes. Ils ne nécessitent pas de source externe de champ magnétique, ni d’alimentation électrique. Lorsdecestravaux, nousdévelopponsdesprototypesdemicrosystèmesfluidiques autonomes basés sur des réseaux de micro-aimants. En premier lieu, la capture par attraction et le positionnement controllé, en utilisant des particules superparamagnétiques comme modèle. Puis, l’étude de phénomènes d’endocytose à l’aide d’éléments biologiques marqués magnétiquement. Dans le but de passer à l’intégration des systèmes, des canaux microfluidiques sont développes sur les réseaux magnétiques. Des particules magnétiques et non-magnétiques sont introduites dans les canaux et leur positionnement, guidage et tri sont réalisés. L’analyse des solutions triées indique une haute efficacité du système. Les résultats obtenuslors du développement deces micro-sourcesde champmagnétiques et de leur intégration dans des microsystèmes, ainsi que la manipulation et tri de particules, démontrent le grand potentiel de ces recherches pour des applications grand public à des systèmesbiologiquesetmédicaux. Deplus,labiocompatibilitéetl’autonomiedecessystèmes permettent leur utilisation dans des microsystèmes d’analyse totale (µTAS), des systèmes point-of-care (POC) et des implants biomédicaux, potentiellement jetables et bas coût. 5 3 1 0 2 y a M 3 - 1 n o si r e v , 7 1 3 0 2 8 0 0 - el t Contents Introduction 11 1 Concepts and context 17 1.1 Magnetism and micromagnets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.1.1 Induction, field, susceptibility, permeability . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.1.2 Classes of magnetic materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.1.3 Hard and soft magnets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 1.1.4 Magnetic particles and the superparamagnetism . . . . . . . . . . . . 23 3 1 1.2 Microfluidics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 0 2 y 1.2.1 Scaling laws and the continuum hypothesis . . . . . . . . . . . . . . . 27 a M 1.2.2 Reynolds number and flow regimes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3 - 1 1.2.3 Digital and continuous flow microfluidics . . . . . . . . . . . . . . . . 30 n o si 1.2.4 Flow cytometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 r e v 1.3 State of the art: handling micro-objects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 , 7 1 3 1.3.1 Magnetic flux sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 0 2 8 1.3.2 Magnetophoresis: capture and release . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 0 0 - el 1.3.3 Magnetophoresis: continuous guiding . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 t 1.4 The ANR EMERGENT Project . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 2 Development of micro-magnetic flux sources 49 2.1 Triode sputtering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 2.1.1 Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 2.2 Characterization of micromagnets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 2.2.1 Magneto-optic imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 2.2.2 Magnetic Force Microscopy (MFM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 2.3 Topographic patterning (TOPO) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 2.4 Thermomagnetic patterning (TMP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 7 2.4.1 Mask fabrication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 2.4.2 Depth of magnetization reversal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 2.5 Micro-Magnetic Imprinting (µMI) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 2.5.1 Stray field analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 2.6 Micro-magnets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 3 Microfluidic system: development and setup 73 3.1 Microfluidic system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 3.1.1 PDMS spin-coating above TMP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 3.1.2 Null-patterning of TOPO magnets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 3.1.3 Micro-channel preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 3 1 3.1.4 Assembling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 0 2 y 3.2 Microfluidic flow control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 a M 3.2.1 Pressure control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 3 - 1 3.3 Complete setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 n o si r e 4 Modeling particle handling with microfluidics 89 v , 7 1 4.1 Model of the magnetic stray fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 3 0 2 4.2 Particle responses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 8 0 0 - 4.3 TMP versus TOPO magnets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 el t 4.3.1 Fields and field gradients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 4.4 Microfluidics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 4.4.1 Particle flow in a microfluidic channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 4.4.2 Particle attraction and capturing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 4.4.3 Particle deviation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 4.5 Partial conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 5 Bio-Mag-MEMS 109 5.1 Static capture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 5.1.1 Static positioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 5.1.2 Positioning of biological elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 8 5.1.3 Study of endocytotic uptake by cell capturing . . . . . . . . . . . . . 116 5.2 Capture with microfluidics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 5.2.1 Sorting by capture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 5.3 Guiding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 5.3.1 Particle guiding with parallel-to-flow lines . . . . . . . . . . . . . . . 125 5.3.2 Continuous deviation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 5.3.3 Continuous sorting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 5.4 Microfluidics with TOPO magnets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 5.5 Towards more complex configurations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 5.5.1 Particle focusing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 5.5.2 Selective unpinning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 3 1 0 2 5.5.3 Multiple particle sorting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 y a M 5.6 Partial conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 3 - 1 Conclusion 141 n o si r e Annex A - Analysis of Thermo-Magnetic Patterning 147 v , 7 1 3 Annex B - Heat diffusion model 153 0 2 8 0 0 - List of Papers 157 el t Bibliography 159 9 3 1 0 2 y a M 3 - 1 n o si r e v , 7 1 3 0 2 8 0 0 - el t