Analyse et conception d'une micropompe pour des applications à très faible pression

Dans ce mémoire, nous présentons une nouvelle architecture d’une micropompe pneumatique à valves autoactionnées. Une modélisation par éléments finis de la micropompe est également présentée ainsi que sa fabrication et sa caractérisation. Le débit théorique minimal de la micropompe est de 9 µL/min pour une pression externe d’actionnement égale à 1500 Pa. La fréquence de déformation imposée à la membrane est de 1,25 Hz et la déformation maximale observée de cette dernière est égale à 3,66 µm. On note aussi que la modélisation par la méthode des éléments finis montre clairement une conservation de débit entre les phases d’admission et de refoulement égal à 99,99 %, cette conservation de débit a été validée aussi expérimentalement. La fabrication de la micropompe s’est faite à travers deux procédures : un moulage manuel pour les microvalves avec des chambres cylindrique et cubiques dont les dimensions externes sont de 8 mm x 12 mm x 6 mm avec des membranes de 20 µm d’épaisseur, fabriquées en Polydimethylsiloxane (PDMS). Un nouveau procédé d’impression à base de sucre, en collaboration avec le département de mécanique, a été aussi utilisé. Ce dernier se résume dans l’impression 3D d’un moule temporaire en sucre vitrifié. Les chambres d’actionnement de la micropompe sont de forme cylindrique avec un diamètre de 4 mm et une hauteur de 1 mm. La chambre de pompage est aussi cylindrique avec le même diamètre, mais avec une hauteur 0,5 mm. L’épaisseur des membranes de pompage est de 250 μm. En utilisant ce procédé, tout le système de pompage excluant les microvalves est fabriqué en un seul bloc afin d’éliminer toute fuite et minimiser l’encombrement du système. Les dimensions externes de la micropompe sont 20 mm x 20 mm x 10 mm. Les résultats de caractérisation de la micropompe consistent le débit minimal qu’on a pu générer qui est égale à 7 µL/min avec une puissance électrique consommée par le système de 114 mW. Enfin, les microvalves peuvent supporter une contre-pression jusqu’à 13 psi. Une interface graphique pour contrôler l’actionneur de la micropompe à l’aide d’un FPGA a aussi été développée.In this project, a new architecture of an air-driven micropump prototype with self-actuating microvalves is presented. A finite element model is also presented. Fabrication and characterization of the system and the electronic control of the micro-pump was also introduced. The designed micropump was able to generate a flow rate of 9 µL/min. Pumping pressure was 1500 Pa. Frequency of membrane deformation was 1.25 Hz and its maximum deformation was 3.66 µm. Finite element modeling shows that the flow rate ratio between the admission and delivery phase was 99.99 %. Fabrication of the micropump was achieved through two processes. First, a manual molding for microvalves with cylindrical and cubic chambers whose external dimensions was 8 mm x 12 mm x 6 mm and actuation membrane thickness of 20 µm. The entire system, including the membrane, was made from polydimethylsiloxane (PDMS). Second, in collaboration with the department of mechanical engineering, a new printing process based on sugar glass was also used. The latter is based on the 3D printing of a sugar mold. The mold is dissolved after the pouring and curing of PDMS. The actuating chambers of the micropump wetre cylindrical with a diameter of 4 mm and a height of 1 mm. The pumping chamber was also cylindrical with the same diameter but with a height of 0.5 mm. The thickness of the pumping membranes was 250 µm. Through this process, the entire pumping system (expect microvalves) were fabricated as a one block to eliminate leakage and reduce system dimensions. The external dimensions of the micropump was 20 mm x 20 mm x 10 mm. Experimental results of the micro-pump showed that the flow rate that can be generated is 7 µL/min. The electrical power consumption of the system was 114 mW. Finally, the microvalve can resist to a back pressure up to 13 psi. A graphical interface to control the actuation part of the micropump using an FPGA has also been developed

Towards a Multifunctional Electrochemical Sensing and Niosome Generation Lab-on-Chip Platform Based on a Plug-and-Play Concept

In this paper, we present a new modular lab on a chip design for multimodal neurotransmitter (NT) sensing and niosome generation based on a plug-and-play concept. This architecture is a first step toward an automated platform for an automated modulation of neurotransmitter concentration to understand and/or treat neurodegenerative diseases. A modular approach has been adopted in order to handle measurement or drug delivery or both measurement and drug delivery simultaneously. The system is composed of three fully independent modules: three-channel peristaltic micropumping system, a three-channel potentiostat and a multi-unit microfluidic system composed of pseudo-Y and cross-shape channels containing a miniature electrode array. The system was wirelessly controlled by a computer interface. The system is compact, with all the microfluidic and sensing components packaged in a 5 cm × 4 cm × 4 cm box. Applied to serotonin, a linear calibration curve down to 0.125 mM, with a limit of detection of 31 μ M was collected at unfunctionalized electrodes. Added sensitivity and selectivity was achieved by incorporating functionalized electrodes for dopamine sensing. Electrode functionalization was achieved with gold nanoparticles and using DNA and o-phenylene diamine polymer. The as-configured platform is demonstrated as a central component toward an “intelligent” drug delivery system based on a feedback loop to monitor drug delivery

Chapter 34 - Biocompatibility of nanocellulose: Emerging biomedical applications

Nanocellulose already proved to be a highly relevant material for biomedical applications, ensued by its outstanding mechanical properties and, more importantly, its biocompatibility. Nevertheless, despite their previous intensive research, a notable number of emerging applications are still being developed. Interestingly, this drive is not solely based on the nanocellulose features, but also heavily dependent on sustainability. The three core nanocelluloses encompass cellulose nanocrystals (CNCs), cellulose nanofibrils (CNFs), and bacterial nanocellulose (BNC). All these different types of nanocellulose display highly interesting biomedical properties per se, after modification and when used in composite formulations. Novel applications that use nanocellulose includewell-known areas, namely, wound dressings, implants, indwelling medical devices, scaffolds, and novel printed scaffolds. Their cytotoxicity and biocompatibility using recent methodologies are thoroughly analyzed to reinforce their near future applicability. By analyzing the pristine core nanocellulose, none display cytotoxicity. However, CNF has the highest potential to fail long-term biocompatibility since it tends to trigger inflammation. On the other hand, neverdried BNC displays a remarkable biocompatibility. Despite this, all nanocelluloses clearly represent a flag bearer of future superior biomaterials, being elite materials in the urgent replacement of our petrochemical dependence

Development and evaluation of low-dose rate radioactive gold nanoparticles for application in nanobrachytherapy

Depuis les dix dernières années, l’innovation des traitements d’oncologie a fait une utilisation croissante de la nanotechnologie. De nouveaux traitements à base de nanoparticules (NPs) sont notamment rendus au stade de l’essai clinique. Possédant des caractéristiques physico-chimiques particulières, les NPs peuvent être utilisées afin de bonifier l’effet thérapeutique des traitements actuels. Par exemple, l’amélioration de la curiethérapie (c.-à-d. radiothérapie interne) nécessite le développement de nouvelles procédures permettant de diminuer la taille des implants, et ce, tout en augmentant l’homogénéité de la dose déposée dans les tumeurs. Des études théoriques et expérimentales ont démontré que l’injection de NPs d’or à proximité des implants traditionnels de curiethérapie de faible débit de dose (par ex. 125I, 103Pd) permettrait d’augmenter significativement leur efficacité thérapeutique. L'interaction entre l’or et les photons émis par les implants de curiethérapie (c.-à-d. l’effet de radiosensibilisation) génère des rayonnements divers (photoélectrons, électrons Auger, rayons X caractéristiques) qui augmentent significativement la dose administrée. Dans le cadre de cette thèse, l’approche proposée était de développer des NPs d’or radioactives comme nouveau traitement de curiethérapie contre le cancer de la prostate. L’aspect novateur et unique était de synthétiser une particule coeurcoquille (Pd@Au) en utilisant l’isotope actuellement employé en curiethérapie de la prostate: le palladium-103 (103Pd, 20 keV). Dans ce cas-ci, la présence d’atomes d’or permet de produire l’effet de radiosensibilisation et d’augmenter la dose déposée. La preuve de concept a été démontrée par la synthèse et la caractérisation des NPs 103Pd@Au-PEG NPs. Ensuite, une étude longitudinale in vivo impliquant l’injection des NPs dans un modèle xénogreffe de tumeurs de la prostate chez la souris a été effectuée. L’efficacité thérapeutique induite par les NPs a été démontrée par le retard de la croissance tumorale des souris injectées par rapport aux souris non injectées (contrôles). Enfin, une étude de cartographie de la dose générée par les NPs à l’échelle cellulaire et tumorale a permis de comprendre davantage les mécanismes thérapeutiques liés aux NPs radioactives. En résumé, l’ensemble des travaux présentés dans cette thèse font office de précurseurs relativement au domaine de la nanocuriethérapie, et pourraient ouvrir la voie à une nouvelle génération de NPs pour la radiothérapie.The last decade saw the emergence of new innovative oncology treatments based on nanotechnology. New treatments using nanoparticles (NPs) are now translated to clinical trials. NPs possess unique physical and chemical properties that can be advantageously used to improve the therapeutic effect of current treatments. For instance, therapeutic efficiency enhancement related to internal radiotherapy (i.e., brachytherapy), requires the development of new procedures leading to a decrease of the implant size, while increasing the dose homogeneity and distribution in tumors. Several theoretical and experimental studies based on low-dose brachytherapy seeds (e.g., 125I and 103Pd) combined with gold nanoparticles (Au NPs) showed very promising results in terms of dose enhancement. Gold is a radiosensitizer that enhances the efficiency of radiotherapy by increasing the energy deposition in the surrounding tissues. Dose enhancement is caused by the photoelectric products (photoelectrons, Auger electrons, characteristic X-rays) that are generated after the irradiation of Au NPs. In this thesis, the proposed approach was to develop radioactive Au NPs as a new brachytherapy treatment for prostate cancer. The unique and innovative aspect of this strategy was to synthesize core-shell NPs based on the radioisotope palladium-103 (103Pd, 20 keV), which is currently used in low-dose rate prostate cancer brachytherapy. In this concept, the administrated dose is increased via the radiosensitization effect that is generated through the interactions of low-energy photons with the gold atoms. The proof-ofconcept of this approach was first demonstrated by the synthesis and characterization of the core-shell NPs (103Pd@Au-PEG NPs). Then, a longitudinal in vivo study following the injection of NPs in a prostate cancer xenograft murine model was performed. The therapeutic efficiency was confirmed by the tumor growth delay of the treated group as compared to the control group (untreated). Finally, a mapping study of the dose distribution generated by the NPs at the cellular and tumor levels provided new insights about the therapeutic mechanisms related to radioactive NPs. In summary, the studies presented in this thesis are precursors works in the field of nanobrachytherapy, and could pave the way for a new generation of NPs for radiotherapy