Conception et fabrication d'un séparateur de particules hélicoïdal par impression tridimensionnelle

La miniaturisation des appareils médicaux est un domaine en pleine croissance. Les besoins médicaux augmentent en Occident et ailleurs, notamment en raison du vieillissement de la population. De plus, une nouvelle façon de penser la médecine axée sur la prévention prend de l'ampleur. Il en résulte un besoin grandissant d'appareils non seulement portatifs, mais aussi abordables et qui sont simples d'utilisation. Les appareils de diagnostics médicaux sont un bon exemple de ce besoin de miniaturisation. Un appareil diagnostic portatif et abordable aurait des avantages évidents sur l'engorgement des hôpitaux, par exemple. La première étape de la plupart des tests diagnostics est la concentration et la séparation de cellules. Les séparateurs de cellules sont des appareils encombrants pour lesquels la miniaturisation fait l'objet de recherche soutenue. La diélectrophorèse, la force appliquée sur une particule soumise à un champ électrique inhomogène, est une technique prometteuse pour servir de base à la séparation de cellules dans la nouvelle génération d'appareils médicaux portatifs. Le présent mémoire présente le processus de conception et de fabrication d'un séparateur de particules diélectrophorétique tridimensionnel (3D) fabriqué par impression 3D. La méthode d'impression 3D utilisée est l'écriture directe qui consiste en la déposition robotisée de divers matériaux par un processus d'extrusion à travers des embouts à l'échelle micrométrique. Spécifiquement, l'écriture directe a été utilisée pour déposer des matériaux fugitifs qui, une fois encapsulés, sont retirés pour laisser des canaux dans le matériau encapsulant. Deux matériaux ont été testés et le prototype final a été fabriqué en utilisant une encre fugitive faite de gelée de pétrole et de cire microcristalline. Le processus de conception a mené à la fabrication d'un séparateur de forme hélicoïdal par déposition de filaments d'encre fugitive sur des mandrins rotatifs. Une fois assemblés et connectés, ces filaments ont été encapsulés avec de la résine d'époxy et l'encre a été retirée afin de créer des microcanaux dans l'époxy durci. Grâce à son rayon de courbure constant et à sa forme compacte, le séparateur hélicoïdal est 20 % moins encombrant que les séparateurs diélectrophorétiques comparables. Le séparateur a été testé afin de quantifier sa performance et la séparation de particules de polystyrène de 4 et 10 μm de diamètre.

Abstract

The miniaturization of medical devices is a field in rapid expansion. The medical needs of the world are increasing notably because of the population is ageing. Also, a new medicine oriented on prevention is taking hold. The result of these facts is the growing need for portable, affordable and easy to use medical devices. Diagnostic medical devices are a good example of the need for miniaturization. A portable and affordable diagnostic tool would obviously help reduce hospital overcrowding. The first step of most diagnostic test is cell separation and concentration. Current cell separators are bulky and are the focus of an ongoing drive toward miniaturization. Dielectrophoresis, the force applied on a particle submitted to an inhomogeneous electric field, is a promising technique which could be the basis of the next generation of portable medical devices. This dissertation reports the design and fabrication of a three dimensional dielectrophoretic cell separator fabricated using 3D printing. The method used is the direct-write method which consists of the robotic deposition of material by extrusion through micronozzles. Specifically, the direct-write method was used to deposit fugitive materials that were encapsulated and subsequently removed in order to create microchannels in the encapsulating material. Two fugitive materials were tested and the final prototype was fabricated using a fugitive ink made of microcrystalline wax and petroleum jelly. The design process led to the fabrication of a helical-shaped separator by deposition of fugitive ink filaments on rotating spindles. Once assembled and connected, these filaments were encapsulated with epoxy resin and removed. Because of its constant curvature radius and its compact shape, the helical separator had a planar footprint 20% smaller than comparable dielectrophoretic separators. The separator was tested to characterize its performance for the separation of 4 and 10 μm polystyrene particles. Using 900 VDC between the inlet and outlet reservoirs, the separator had efficiencies of 94.0% and 92.5% for the 4 and 10 μm particles, respectively. These results are comparable to reported dielectrophoretic separators. The dissertation then presents tests performed on a second material: polylactic acid. This material has several advantages over fugitive ink however several challenges pertaining to its removal from the encapsulating material remain to be met. These challenges are the subject of a preliminary analysis, the scope of which was limited by the time allotted to the project.