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Projet ChemMicroMan (ANR Jeunes Chercheurs) - 2013/2017

Objectifs du projet :

Le projet ANR Jeunes ChemMicroMan (financé par l’ANR, numéro de projet : ANR-13-JS08-0009-01) vise à développer des stratégies originales menant à la fonctionnalisation de surfaces par des polymères en vue d’applications dans le domaine de la micromanipulation en milieu liquide de micro-objets pour la robotique.

Résumé du projet :

De l’importance de manipuler des petits objets précisément en vue d’assembler des microcomposants et des éléments de robots
En vue de positionner précisément des micro-objets, des outils tels que des micro-pinces sont généralement utilisés dans le domaine de la robotique. Toutefois, l’adhésion entre la pince et l’objet perturbe considérablement le positionnement et le lâcher des micro-objets de sorte que si la micromanipulation est une voie prometteuse afin d’assembler des microcomposants et pour fabriquer des éléments de robots, il est nécessaire d’apporter des améliorations aux techniques actuelles. Aussi, afin de rendre précises et fiables les opérations de micro-assemblage, une stratégie consiste en la modification chimique des éléments mis en jeu. Notre objectif dans ce projet est ainsi de mettre en oeuvre des modifications chimiques afin de rendre plus aisée la capture de micro-objets par des pinces modifiées, leur déplacement, puis le lâcher et le collage des micro-objets sur la surface. Pour cela, la capture de l’objet doit être réversible afin de pouvoir ensuite réaliser son lâcher, tandis que le collage de l’objet à la surface doit être irréversible. Afin de réaliser ces tâches, nous proposons des stratégies basées sur la modification chimique puisque la capture réversible de l’objet sera réalisée au moyen d’une pince préalablement modifiée par des assemblages de polymères, tandis que le collage de l’objet sera réalisé grâce à l’utilisation d’autres polymères facilitateurs d’adhésion.

De l’usage des polymères comme matériau permettant de capturer un objet et de le relâcher sur commande ou de le coller définitivement
Le défi principal à relever consistait donc à attraper un micro-objet à l’aide d’une pince puis à le relâcher sous l’effet d’un stimulus extérieur. Afin de parvenir à relever ce défi, notre stratégie a consisté à modifier la pince chimiquement, plus précisément au moyen de polymères. Pour cela, nous avons donc considéré des pinces que nous avons modifiées en les immergeant successivement dans deux polymères différents afin de permettre la formation d’un film, basé sur des liaisons hydrogène, sur les pinces. Ce type de film a ainsi permis de faire adhérer des micro-objets en silicium sur les pinces modifiées, puis de réussir à les relâcher par simple modification du pH du milieu, manipulation très simple à réaliser puisque consistant en l’ajout de quelques gouttes d’une solution très basique. Les objets ainsi relâchées peuvent ensuite être déposées sur d’autres films polymères, dits électrodéposés car obtenus grâce au fait d’imposer une tension électrique ou un courant au sein d’une solution, ces polymères ayant montré une forte aptitude à favoriser l’adhésion de tout micro-objet sur leur surface.

Résultats majeurs du projet
Les résultats majeurs de ce projet consistent en la possibilité de manipuler des micro-objets en milieu liquide de façon aisée grâce à une stratégie basée sur la modification par voie chimique. Cette approche originale ouvre des perspectives en matière de micro-assemblage de composants, en matière de robotique et de domotique mais aussi en matière d’applications biomédicales puisque la stratégie utilisée est potentiellement transférable à la manipulation d’objets biologiques de dimensions micrométriques. Par ailleurs, afin de pouvoir réaliser des modifications efficientes des pinces, nous avons été amenés à synthétiser des polymères originaux qui pourront trouver des applications autres que celles développées dans le projet. Ainsi, il est envisageable d’utiliser les polymères électrodéposés en matière de (bio)capteurs ou les films réversibles de polymères pour des applications en biologie.

Informations factuelles
Le projet ChemMicroMan est un projet de recherche fondamentale coordonné par Boris Lakard de l’Institut UTINAM (Université de Franche-Comté, UMR CNRS 6213). Il associe l’Institut FEMTO-ST (UMR CNRS 6174) de la même université. Le projet a commencé en mars 2013 et a duré 36 mois. Il a bénéficié d’une aide ANR de 189 500 € pour un coût global de l’ordre de 758 225 €.

Personnes impliquées dans le projet
L’équipe de recherche impliquée dans ce projet est composée de : Boris Lakard (PU-UTINAM), Cédric Buron (MCF-UTINAM), Jérôme Husson (MCF-UTINAM), Sophie Lakard (MCF-UTINAM), Michael Gauthier (DR-FEMTO), Patrick Rougeot (IR-FEMTO), Tjasa Vrlinic (Post-doc-UTINAM) et Tristan Le Gallou (Post-doc-FEMTO).

Production scientifique et brevets depuis le début du projet
La partie élaboration de films par électrochimie a mené à la publication de deux articles décrivant l’obtention de dérivés de la polyaniline (1) et de dérivés du polypyrrole (2). La partie élaboration de films par auto-assemblage a fait l’objet d’un article portant sur les films basés sur des interactions électrostatiques dans Langmuir (3) tandis que deux autres articles portant sur les films par liaisons hydrogène sont en cours de préparation. Enfin, la publication la plus ambitieuse, portant sur la partie manipulation de micro-objets est également en cours de préparation.

Publications :
1. T. Vrlinic, C.C. Buron, S. Lakard, J. Husson, P. Rougeot, M. Gauthier, B. Lakard, Evaluation of adhesion forces for the manipulation of micro-objects in submerged environment through deposition of pH responsive polyelectrolyte layers, Langmuir, 32 (2016) 102-111.
2. S. Lakard, J. Husson, C.C. Buron, B. Lakard, Towards carboxylic acid-functionalized aniline monomers : chemical synthesis, electropolymerization and characterization, Progress in Organic Coatings, 99 (2016) 429-436.
3. J. Husson, S. Lakard, S. Monney, C.C. Buron, B. Lakard, Elaboration and characterization of carboxylic acid-functionalized polypyrrole films, Synthetic Metals, 220 (2016) 247-254.

Conférences :
1. C.C. Buron, T. Vrlinic, P. Rougeot, S. Lakard, M. Gauthier, B. Lakard, Reversible adhesion between an AFM tip and a polyelectrolyte multilayer modified substrate for micro-object micromanipulation, Layer-by-Layer Assemblies : Sciences and Technology Conference, New York, USA (2014).
2. T. Vrlinic, C. Buron, S. Lakard, J. Husson, P. Rougeot, M. Gauthier, B. Lakard, Modification of microtweezers for controlled manipulation of objects in liquid media, 42èmes Journées d’Etude des Polymères, Obernai (2014).
3. T. Vrlinic, C.C. Buron, S. Lakard, J. Husson, S. Monney, B. Lakard, Modification of one-finger gripper with hydrogen bonded multilayer films for controlled assembly of micro objects in liquid environment, 2015 GFP Annual Meeting, Luxembourg, Luxembourg (2015).
4. J. Husson, T. Vrlinic, C.C. Buron, S. Lakard, B. Lakard, Making the synthesis of N-phenyl-5-aminovaleric acid more sustainable : Green Chemistry for robots ?, 20th Annual Green Chemistry and Engineering Conference, Portland, USA (2016).
5. T. Vrlinic, C.C. Buron, S. Lakard, J. Husson, S. Monney, B. Lakard, Modification of one-finger gripper with hydrogen bonded multilayer films for controlled assembly of micro objects in liquid environment, Journée GFP Grand-Est, Nancy (2016).
6. J. Husson, S. Lakard, B. Lakard, C.C. Buron, Optimisation de la synthèse de l’acide N-phényl-5-aminovalérique : de la chimie verte pour les robots ?, Congrès SCF Grand Est 8, Mulhouse (2017).
7. Conférence invitée. B. Lakard, C. Magnenet, J. Husson, S. Lakard, C.C. Buron, Elaboration et utilisation de films minces polymères, Congrès SCF Grand Est 8, Mulhouse, 2017.