Miniaturized Dielectric Elastomer Actuator for Mechanical Stimulation of Monolayer Cell Cultures

127 Pages·2016·20.21 MB·French

by  Poulin, Alexandre

Miniaturized Dielectric Elastomer Actuator for Mechanical
Stimulation of Monolayer Cell Cultures
THÈSE NO 7406 (2016)
PRÉSENTÉE LE 7 DÉCEMBRE 2016
À LA FACULTÉ DES SCIENCES ET TECHNIQUES DE L'INGÉNIEUR
LABORATOIRE DES MICROSYSTÈMES POUR LES TECHNOLOGIES SPATIALES
PROGRAMME DOCTORAL EN MICROSYSTÈMES ET MICROÉLECTRONIQUE
ÉCOLE POLYTECHNIQUE FÉDÉRALE DE LAUSANNE
POUR L'OBTENTION DU GRADE DE DOCTEUR ÈS SCIENCES
PAR
Alexandre POULIN
acceptée sur proposition du jury:
Prof. S. N. Henein, président du jury
Prof. H. Shea, Dr S. Rosset, directeurs de thèse
Prof. B. Müller, rapporteur
Prof. S. Seelecke, rapporteur
Prof. Ph. Renaud, rapporteur
Suisse
2016

Lapersévéranceestlanoblessedel’obstination.
—A.Decourcelle

Acknowledgements
IamdeeplygratefultoProf.HerbertShea,whogavemetheopportunitytojoinhislaboratory,
andworkonthishighlymotivatingproject.Ifeelfortunatetohavehadathesisadvisorwith
suchdedicationtobeingagoodmentorforhisstudents.Thankyouforyouravailabilityand
supportwhenIneededit,foryourenthusiasmandencouragementinallmyprojects,andfor
yourpreciousadvices.
IamdeeplythankfultoSamuelRosset,whoco-supervisedmythesiswithgreatdedication,
andpatientlysharedwithmehisextensivescientificknowledgeandpracticalexperience.
Thankyouforyouravailabilityandforyourpreciousscientificinputs.
IamverythankfultoProf.SimonNessimHenein,Prof.PhillippeRenaud,Prof.BertMüller,
andProf.StefanSeelecke,whograciouslyacceptedtoreviewandevaluatethisthesis.
ThesupportandcollaborationoftheLMTSmemberswasessentialtothisthesis.Iwouldlike
tothankSaminAkbari,MatthiasImboden,andFrancescaSorbafortheirhelpwiththecell
stretcher.IwouldalsoliketothankAlexisMaretteforourcollaborationonlow-voltageDEAs.
IwouldliketothankDanickBriand,Çag˘larAtaman,VinuVenkatraman,SimonDandavino,
SubhaChakraborty,DanielCourtney,SeunAraromi,JunShintake,NadineBesse,JuanZarate,
SamuelSchlatter,XiaobinJi,MariannaFighera,JoannaBitterli,RubaiyetHaque,andDavid
McCoul, for their support, and for the great working environment. A special mention to
MyriamPoliero,LucMaffli,AnnaKamowat,andChristinedeSaint-Aubinforthegoodtimes
wehadasofficemates.
Animportantpartofthisthesisreliedoncollaborationswithexternalpartners,withoutwhom
thebiologicalexperimentswouldnothavebeenpossible. IwouldliketothankCansaran
SaygılıDemirandTatianaPetrovafromUNILforoursuccessfulcollaboration, andforits
continuation.IwouldalsoliketoexpressmygratitudetowardCristinaMartinOlmos,Marta
LileyandMartaGiazzonfromCSEM,aswellasEtiennedeCoulonandStephanRohrfrom
BernUniversity,fortheirprecioushelpwiththebiologicalexperiments.
Lastly,Iwouldliketothankmyfamilyandfriendsfortheirunconditionalsupportandcon-
tinuousencouragements,andGizem,foralwaysbeingthereformeandbrighteningmylife.
Neuchâtel,September27,2016 A.P.
i

Abstract
Thisthesisadvancesthefieldofdielectricelastomeractuators(DEAs)throughthedevelop-
mentofDEAdesigns,fabricationprocesses,straincharacterizationtechniqueandmodelling
tool.ItprovidesthefirstdemonstrationthatDEAscanbeinterfacedwithlivingcells,opening
thedoortoreal-worldapplicationsinmechanobiology,animportantstepforthedevelopment
ofthisemergingsoft-actuatortechnology.Italsoprovidesapracticalapproachtowardslow
voltageDEAs,demonstratingafully-printedactuatorthatworksbelow300V,arangecompati-
blewithcommerciallyavailableCMOScircuitry,henceenablingavarietyofnewapplications
forDEA-basedtechnologies.
Themechanismsbywhichcellscansenseandreacttotheirmechanicalenvironmentarestill
partlyunknown,andadvancesinthisfieldwillcontributetobetterdiagnosisandtreatmentof
seriousdiseaseslikecancer.Researchheavilyreliesoninvitromodels,andthereistherefore
greatinterestsinsystemscapableofapplyingprecisemechanicalstrainoncellcultures.This
thesisovercomesthemanychallengesofinterfacingDEAswithlivingcells,andpresentsa
biocompatibledevicewhichcansustainstandardcellcultureprotocolslikesterilization,incu-
bation,andimmersioningrowthmedium.Thedevicecanapplyfrom-10%to35%uniaxial
strainonasmallcellpopulation(∼100cells),locatedinatransparentarea(0.5mmx1.5mm)
ofalargerbiocompatiblemembrane.Itcanbemountedonaninvertedmicroscope,whereits
designenablesreal-timehigh-resolutionopticalimagingofcellsduringstretching.Withstrain
ratesintheexcessof700s−1,theinvivoenvironmentcanbereproducedwithunprecedented
accuracy.Asademonstrationofthetechnology,incollaborationwiththeVascularandTumor
BiologyLaboratoryatUNILinSwitzerland,apopulationoflymphaticendothelialcells(LECs)
wascycledfrom0%to10%strainat1Hzfor24h.Theresultsshowstretch-inducedalignment
ofcellsperpendiculartostrain,andconfirmthatthedevicefringingelectricfieldhasnoeffect
onLECsmorphology.ThisisthefirstdemonstrationthatDEAscanbeinterfacedwithliving
cells,andthefirsttimetheyareusedtoobservecellmechanosensitivity.
ThedrivingvoltageofDEAsistypicallyinthekVrange,whichlimitstheirpossibleapplications.
Oneapproachtoreducetheactuationvoltageistodecreasethemembranethickness,whichis
typicallyinthe20-100μmrange,asreliablefabricationbecomeschallengingbelowthisthick-
ness.Thisthesispresentsapad-printed3μmthickDEA,anddemonstratesthatdecreasing
themembranethicknesstoonlyafewmicronssignificantlyreducesthedrivingvoltage,while
maintaininggoodactuationperformance.Aradialstrainof7.5%wasachievedatonly245V,
iii
Abstract
whichcorrespondstoastrain-to-voltage-squaredratioof125%kV−2,thehighestreported
valuetodate.Thisthesisalsoinvestigatestheelectrodesstiffeningimpact,oftenoverlooked
inthedesignanddevelopmentDEAs. Itpresentsananalyticalmodelwhichaccountsfor
the electrodes stiffness, and presents a strain-mapping algorithm to compares the strain
uniformityof3μm-and30μm-thickDEAs. Thesimulationresultsandthestrain-mapping
measurementsidentifytheelectrodesasanimportantparameterthatshouldnotbeneglected
inthedesignandoptimizationofthin-DEAs.
Key words: dielectric elastomer actuator, biocompatible, high strain rate, cell stretcher,
mechanobiology,pad-printing,lowvoltage,strainmapping
iv
Résumé
Cettethèsecontribueàl’avancementdudomainedesactionneursenpolymèreélectroactif
(DEA)parledéveloppementdenouvellesconfigurationsd’actionneurs,denouvellesmé-
thodesdefabricationetdenouveauxoutilsdemodélisation.Elleprésentelapremièredé-
monstrationd’intégrationdeDEAavecdescellulesbiologiques,ouvrantainsilaporteàde
nombreusesapplicationspratiques,uneétapeimportantedansledéveloppementdecette
nouvelletechnologied’actionneur.Cettethèseprésenteégalementunenouvelletechnique
pourlafabricationdeDEAfonctionnantsousles300V,etdoncmaintenantcompatibleavec
destechnologiesCMOSdisponiblescommercialement,permettantainsidesapplications
auparavantimpossibles.
Ilestmaintenantreconnuquelescellulesinteragissentavecleurenvironnementmécanique,
etqu’unedétériorationdeleurmécanosensitivitécontribueàplusieursmaladiesgravestelles
lecancer.Larecherchedanscedomainereposeprincipalementsurdesmodèlesinvitro,etil
yadoncungrandintérêtenverslestechnologiespermettantdedéformermécaniquement
desculturescellulaires.UnmilieudeculturedéformableutilisantunDEAafindegénérerune
stimulationmécaniqueestprésentédanscettethèse.Lesystèmepeutdéformerunepetite
populationdecellules(∼100cellules),situéedansunerégion(0.5mmx1.5mm)transparente
d’uneplusgrandemembranebiocompatible,etleurappliquerjusqu’à10%decompression
uniaxiale,ou35%detensionuniaxiale.Destauxdedéformationsupérieursà700s−1 sont
possibles,permettantainsidereproduirel’environnementinvivoavecunefidélitéinégalée.
Deplus,lesystèmepermetauxcellulesd’êtreimagéesenhaute-résolutiondurantleurdé-
formation.Commepreuvedeconcept,encollaborationavecleVascularandTumorBiology
Laboratorydel’UNILenSuisse,unepopulationdecellulesendothélialeslymphatiquesaété
soumiseà10%d’élongationpériodique(1Hz)durant24h.Lesrésultatsobtenusmontrent
quelescelluless’alignementperpendiculairementàl’axededéformation,alorsquelescel-
lulesdecontrol(environnementstatique)gardentleurorientationarbitraire,etquelechamp
électriquededispersiondel’actionnernedémontreaucuneffetsurlescellules.Ils’agitdela
premièredémonstrationquelesDEApeuventêtreutiliséspourdesapplicationsbiologiques,
etdelapremièrefoisquecettetechnologieestutiliséepourdémontrerlamécanosensitivité
cellulaire.
La tension d’actionnement des DEA est typiquement de quelques kV, ce qui limite leurs
applications.Unedesapprochespermettantderéduirelatensionestdediminuerl’épaisseur
v
Résumé
desamembranediélectrique,quifaitnormalementde20μmà100μmd’épaisseur.Cettethèse
présentelafabricationd’unDEAde3μmd’épaisseurfabriquépartampographie.L’actionneur
circulairedémontreundéformationradialede7.5%àseulement245V,cequicorrespondà
125%dedéformationparkV2,deloinlaplushautevaleurrapportéeàcejourpourunDEA.
L’effetmécaniquedesélectrodessurlaperformancedesDEAmincesestégalementétudiée.
Unmodèleanalytiqueprenantencomptelacontributionmécaniquedesélectrodes,ainsi
qu’unalgorithmepermettantlamesuredechampdedéformationdesDEAsontprésentés.
Lesprédictionsdecemodèle,ainsiquelesmesuresdechampdedéformationsurdesDEAde
3μmet30μmd’épaisseurdémontrentquelacontributionmécaniquedesélectrodesnepeut
êtrenégligéepourlesDEAminces.
Motsclefs:Actionneurenpolymèreélectroactif,bassetension,biocompatible,milieude
culturedéformable,mécanobiologie,tampographie,mesuredechampsdedéformation
vi