Description du sujet de thèse

La recherche sur la taille des cellules vivantes est un domaine en pleine expansion en biophysique. Ces dernières années, de nombreuses approches ont émergé pour quantifier la masse des cellules individuelles en suspension ou adhérentes [1]. Ces approches sont généralement basées sur des résonateurs microfabriqués (MEMS) ou des méthodes optiques. Parmi ces méthodes, les capteurs mécaniques piézoélectriques présentent des avantages uniques : i) mesure directe de la déformation des cristaux par des méthodes électriques et ii) pas d'interférence avec les biomolécules, par rapport aux systèmes optiques. À cet égard, l'α-quartz est le meilleur matériau de détection piézoélectrique avec un facteur de qualité considérable (Q > 106), une stabilité de température exceptionnelle et un faible bruit de phase. Cependant, à ce jour, le quartz α appliqué à la microélectronique est exclusivement synthétisé par des méthodes hydrothermales, qui produisent de grands cristaux, ce qui rend impossible la réduction de leur taille en dessous d'une épaisseur de 10 µm. De plus, pour la plupart des applications, ces cristaux doivent être liés à des substrats de Si. Ces caractéristiques représentent un obstacle critique pour la microélectronique.
Par conséquent, le défi actuel pour la conception de biocapteurs ultrasensibles consiste à améliorer la réponse électromécanique dans des conditions liquides et à respecter les critères d'épaisseur. Cet objectif pourrait être atteint en utilisant des résonateurs piézoélectriques α-quartz de haute qualité [2]. Ces dernières années, notre équipe a réussi à intégrer des couches minces piézoélectriques α-quartz de haute qualité sur des substrats de silicium [3,4] et de SOI par dépôt en solution chimique (CSD) [5,6]. Ces progrès ont conduit au premier capteur à base de quartz épitaxié sur silicium pour les dispositifs micro et nanoélectromécaniques (MEMS/NEMS) avec une sensibilité de détection de masse de 100 ng/Hz [7,8]. Ces résultats signifient que les dispositifs ultrasensibles en quartz peuvent mesurer des masses minuscules (<10 pg) ou des forces via la variation de la fréquence de résonance. De plus, nous avons récemment montré que ces dispositifs sont biocompatibles et donc adaptés aux conditions de culture cellulaire [7].
L'objectif du projet de thèse est de dépasser l'état de l'art en réalisant les premières mesures de masse avec une nouvelle génération de systèmes microélectromécaniques (MEMS) sur puce basés sur la technologie α-quartz. En utilisant cette approche technologique, le projet vise à fournir une meilleure compréhension des processus biologiques tels que l'endocytose, qui sont connus pour réguler la réponse de la masse cellulaire dans des conditions physiologiques.
REFERENCES
[1] T. A. Zangle, M. A. Teitell, Nat Methods 2014, 11, 1221.
[2] C. J. Brinker, P. G. Clem, Science 2013, 340, 818.
[3] A. Carretero-Genevrier, M. Gich, L. Picas, et al., Science 2013, 340, 827.
[4] Process for Preparing an Epitaxial Alpha-Quartz Layer on a Solid Support, Material Obtained and Uses Thereof C Boissiere, A Carretero-Genevrier, M Gich, D Grosso, C Sanchez US Patent US10053795B2, n.d.
[5] Q. Zhang, et al., ACS Applied Materials & Interfaces 2020, 12, 4732.
[6] T. Sansen, et al., ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 29000.
[7] C. Jolly, et al., Advanced Materials Technologies 2021, 6, 2000831.
[8] C. Jolly, et al., JoVE 2020, e61766.


L'objectif de ce projet est de suivre la réponse en masse de cellules uniques avec une résolution inférieure au picogramme sur plusieurs échelles de temps et de déterminer le rôle des mécanismes endocytiques dans la régulation de la masse cellulaire en physiologie. À cette fin, le projet vise à développer le premier bioMEMS piézoélectrique à quartz sur puce capable de mesurer des masses infimes par une variation de la fréquence de résonance sans phénomène d'amortissement.

Contexte de travail

Le projet de thèse est très interdisciplinaire, à l'interface des nanotechnologies, des sciences des matériaux, de la biologie cellulaire et de la biophysique. Pour cette raison, il sera réalisé en co-tutelle entre deux équipes situées à Montpellier, l'equipe de A. Carretero-Genevrier (à l'IES CNRS UMR 5214 ; https://nanochemlab.com ), avec une expertise en nanotechnologies et sciences des matériaux, et L. Picas (IRIM CNRS UMR 9004 ; https://www.irim.cnrs.fr/index.php/recherche/equipes/biologie-quantitative-du-trafic-membranaire-et-pathogenesis ), avec une expertise en biologie cellulaire et biophysique.
La première partie du projet sera réalisée à l'IES (CNRS UMR 5214) et se concentrera sur la fabrication et la caractérisation de résonateurs bio-MEMS piézoélectriques. Les MEMS piézoélectriques seront constitués de membranes en (100)α-quartz/(100)Silicium d'une épaisseur de 5 µm et de fréquences de résonance différentes en fonction de leur taille.
La seconde partie sera réalisée entre l'IES (CNRS UMR 5214) et l'IRIM (CNRS UMR 9004). Cette partie comprendra le développement d'une puce microfluidique pour maintenir des cellules individuelles dans des conditions de culture sur le dispositif bio-MEMS et pour effectuer des mesures de preuve de concept pour voir la masse des cellules individuelles adhérentes.

Contraintes et risques

Ce poste se situe dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique (PPST) et nécessite donc, conformément à la réglementation, que votre arrivée soit autorisée par l'autorité compétente du Ministère de l'Enseignement Supérieur et de la Recherche (MESR)