Microdevices and Microsystems for Cell Manipulation

Microfabricated devices and systems capable of micromanipulation are well-suited for the manipulation of cells. These technologies are capable of a variety of functions, including cell trapping, cell sorting, cell culturing, and cell surgery, often at single-cell or sub-cellular resolution. These functionalities are achieved through a variety of mechanisms, including mechanical, electrical, magnetic, optical, and thermal forces. The operations that these microdevices and microsystems enable are relevant to many areas of biomedical research, including tissue engineering, cellular therapeutics, drug discovery, and diagnostics. This Special Issue will highlight recent advances in the field of cellular manipulation. Technologies capable of parallel single-cell manipulation are of special interest

Force Sensing and Control in Micromanipulation

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

Automatic Microassembly of Tissue Engineering Scaffold

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

Microrobotique et Micromécatronique pour la Réalisation de Tâches de Micro-Assemblage Complexes et Précises.

Ce document présente une synthèse de mes contributions scientifiques aux domaines de la microrobotique et de la micromécatronique ainsi que des transferts effectués, tant à destination de l’industrie que de l’enseignement. Les travaux conduits sont orientés vers la réalisation de tâches de micro-assemblage complexes, précises et automatisées par approche microrobotique et sont plus particulièrement appliqués aux MOEMS.L’échelle micrométrique considérée induit de nombreuses spécificités qui se traduisent par un déficit notable de connaissances du comportement des systèmes à cette échelle. Pour cela, une première partie des travaux est dédiée à l’étude et à la modélisation multiphysique des systèmes microrobotiques et micromécatroniques. Cette connaissance a conduit, dans une seconde partie des travaux, à la proposition de nouveaux principes de mesure et d’actionnement mais également au développement de microsystèmes complexes, instrumentés et intégrés (micro-banc-optique, micropince, plateformes compliantes). Enfin, des lois de commandes et des stratégies d’assemblage originales ont été proposées notamment une commande dynamique hybride force-position combinant une commande hybride externe et une commande en impédance. Celle-ci permet de maîtriser la dynamique des transitions contact/non-contact critique à l’échelle micrométrique mais également d’automatiser des processus de micro-assemblage complexes. L’ensemble de ces travaux ont fait l’objet de validations expérimentales permettant de quantifier précisément les performances obtenues (exactitude de positionnement, temps de cycle, robustesse…). Les perspectives de ces travaux portent sur la proposition de systèmes microrobotiques et micromécatroniques compacts et intégrés utiles au micro-assemblage haute dynamique ainsi qu’à l’assemblage de composants nanophotoniques

Development of a Microforce Sensor and Its Array Platform for Robotic Cell Microinjection Force Measurement

Robot-assisted cell microinjection, which is precise and can enable a high throughput, is attracting interest from researchers. Conventional probe-type cell microforce sensors have some real-time injection force measurement limitations, which prevent their integration in a cell microinjection robot. In this paper, a novel supported-beam based cell micro-force sensor with a piezoelectric polyvinylidine fluoride film used as the sensing element is described, which was designed to solve the real-time force-sensing problem during a robotic microinjection manipulation, and theoretical mechanical and electrical models of the sensor function are derived. Furthermore, an array based cell-holding device with a trapezoidal microstructure is micro-fabricated, which serves to improve the force sensing speed and cell manipulation rates. Tests confirmed that the sensor showed good repeatability and a linearity of 1.82%. Finally, robot-assisted zebrafish embryo microinjection experiments were conducted. These results demonstrated the effectiveness of the sensor working with the robotic cell manipulation system. Moreover, the sensing structure, theoretical model, and fabrication method established in this study are not scale dependent. Smaller cells, e.g., mouse oocytes, could also be manipulated with this approach