Études des configurations spatio-temporelles du champ magnétique sur le contrôle des bactéries magnétotactiques

Depuis que les scientifiques se sont intéressés à travailler à l'échelle nano et micro, la création de véhicules qui puissent y travailler est devenue une nécessité. Ces véhicules sont des nano-micro robots qui doivent fonctionner dans ces milieux de manière autonome et contrôlée. L'une des plus grandes utilités de ces nano-micro robots, par exemple, est leur utilisation dans un système microvasculaire pour transporter des agents thérapeutiques vers les tumeurs cancéreuses de façon contrôlée. La technologie de fabrication des robots artificiels actuelle n'est pas en mesure de fournir ce nano-micro robot. Pour contourner cette limitation, nous avons choisi un micro robot déjà existant dans la nature. C'est la bactérie magnétotactique Magnetococcus Marinus souche MC-1, d'une taille de 2 µm de diamètre et ayant : 1) une autonomie de mouvement grâce à son propre système de propulsion fourni par deux moteurs moléculaires (flagelles), 2) une chaîne de particules nanométriques magnétiques (magnétosomes), qui permet à la bactérie de s'aligner avec le champ magnétique et de se propulser dans la direction du champ. En plus, les microrobots ont la capacité de réaliser des tâches dans l'environnement micrométrique comme : la microfabrication et le transport. L'équipe du laboratoire NanoRobotique de Polytechnique de Montréal a développé une plateforme de contrôle des bactéries magnétiques dans le but de contrôler leurs déplacements dans un système in vivo, et ainsi de transporter des agents thérapeutiques directement dans le cancer. Autrement dit, cette nouvelle plateforme permet de guider la bactérie magnétotactique vers une cible prédéfinie. L'objectif de ce mémoire de recherche est d'améliorer la modélisation du champ magnétique de cette plateforme. Cette nouvelle modélisation permettra de réduire les durées d'agrégation et de déplacement des bactéries magnétiques tout en augmentant la performance de la plateforme. D'abord, une méthode de contrôle basée sur la géométrie spatiale du champ magnétique a été développée et validée. Finalement, une étude de comportement des bactéries magnétiques exposées au champ magnétique alternatif a été effectuée afin de pouvoir développer une technique novatrice de contrôle.

Abstract

Working at the nano and micro scale environment has provided scientists with an immense opportunity to explore within small and previously unreachable areas. Evidently, creation of vehicles that could facilitate such careful maneuver has gained a lot of interest. These vehicles are nanomicrorobots that perform autonomously under controlled environment. Among many research disciplines that could advance with such miniature system, drug delivery and navigation is one of the most beneficial uses for these controlled nanomicrorobots; acting as therapeutic agent carriers targeting cancerous tumors by traveling through complex microvascular structures. Current artificial robot technology lacks maturity in manufacturing mass scale nanomicrorobots. Therefore, inspired by nature, we chose special bacteria bona fide to serve as microrobots. Magnetotactic Magnetococcus Marinus strain MC-1 has: 1) an autonomy movement with its own propulsion system provided by two molecular motors (flagella) and 2) a chain of magnetic nanoparticles (magnetosomes) acting as a compass that aligns the moving bacteria in the direction of external magnetic field. These 2 µm diameter bacteria have the ability to perform as actuators, micro-fabricators and transporters. Polytechnique NanoRobotics Montreal laboratory team has developed a magnetic controller platform to control these bacteria in vivo and deliver therapeutic agents directly into the cancer tissue. In other words, this platform helps navigate the magnetotactic bacteria to the predefined target. The objective of this research thesis is to improve the magnetic field modeling of this platform. Our new proposed model will reduce the bacteria displacement and aggregation time while increasing the performance of the platform. At the beginning, a control method based on the spatial configuration of the magnetic field has been developed and validated. And at the end, a study on magnetic bacteria behavior exposed to alternating magnetic field is performed in order to develop an innovative control technique.