Les Instituts de recherche hepia

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L’avenir est à créer

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Brochure Ra&D

La Recherche appliquée et le Développement (Ra&D) sont réalisés dans le cadre de quatre instituts disposant d’équipements « up-to-date » et de moyens importants en termes de ressources humaines et financières. Ces instituts, issus des départements d’hepia sont :

• inPACT : institut du Paysage, de l’Architecture, de la Construction et du Territoireavec pour axes stratégiques de recherche :• Agglomérations et paysages• Architectures et ouvrages performants

• inIT : institut d’ingénierie Informatique et des Télécommunicationsavec pour axes stratégiques de recherche :• Systèmes embarqués et temps réel• Systèmes distribués à grande échelle• Interaction société machine

• inSTI : institut des Sciences et Technologies Industriellesavec pour axes stratégiques de recherche :• Bio-ingénierie• Eco-ingénierie• Mécanique des fluides appliquée aux domaines de l’énergie• Matériaux, nanotechnologies et conception microtechniques

• inTNE : institut Terre-Nature-Environnementavec pour axes stratégiques de recherche :• Ecologie et gestion des milieux naturels et aménagés • Fonctions environnementales sous pressions anthropiques dans les agroécosystèmes

Cette structure Ra&D mise en place en 2011 vise non seulement à améliorer notre performance et notre réactivité eu égard aux nombreuses sollicitations de nos partenaires industriels et institutionnels mais elle permet aussi, grâce à ses axes stratégiques de recherche de profiler l’institution dans le paysage des Hautes Ecoles régionales et suisses. En effet, le fait qu’hepia regroupe en son sein tous les pôles du domaine HES-SO « ingénierie et architecture » permet d’effectuer naturellement des projets de recherche transdisciplinaires dont les innovations sont transférées à l’externe vers des partenaires via des licences sur brevet ou par la cession de brevets mais aussi par la création d’entreprises.

Cette même année 2011 a vu naître le Geneva Creativity Center dont l’objectif principal est d’amener plus rapidement des innovations élaborées au sein des Hautes écoles genevoises que sont l’Université de Genève et la HES-SO // Genève vers la société ainsi que de pouvoir répondre aux problématiques des entreprises et des collectivités. De ce fait, quel que soit le point d’entrée, les entreprises bénéficient de facto d’une offre étendue de compétences de pointe ; voir le site internet : http://www.creativitycenter.ch/

Ainsi, le corps professoral, les assistants et assistantes de recherche, le personnel administratif et technique composant les instituts de la Haute Ecole du Paysage, d’Ingénierie et d’Architecture de Genève, sont en permanence au service de la société et de son environnement.

Gilles TrisconeProfesseur HES, Responsable de la coordination Ra&Dgilles.triscone@hesge.ch

inST

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inSTI

inSTI est l’institut de recherche du département des technologies industrielles d’hepia. Il se veut un partenaire de choix en matière de recherche et développement pour le tissu industriel local et régional mais aussi pour les collectivités.

inSTI développe des compétences dans les domaines suivants :

• bio-ingénierie : développement de dispositifs microtechniques dans le domaine du vivant, génie tissulaire, traitement d’images ;

• éco-ingénierie : écobilan, procédé d’usinages innovants, rétro-conception, analyse de cycle de vie ;

• mécanique des fluides appliquée aux domaines de l’énergie : simulation d’écoulements de type CFD, aéronautique, essai en soufflerie ;

• matériaux, nanotechnologies et conceptions microtechniques : développement d’instrumentation nanotechnologique (en particulier microscopie), développement de couches minces fonctionnelles, nanostructures, nanotribo corrosion, essais mécaniques non usuels, simulation multiphysique.

inSTI valorise ses activités de Ra&D par des transferts de technologies vers l’économie (projets CTI, projets EU, mandats…) d’une part, et par des publications scientifiques et des participations à des conférences d’autre part. De plus, inSTI attache une valeur particulière à établir des colla-borations fortes avec certains partenaires, qu’ils soient industriels, étatiques, semi-étatiques, ou académiques. Dans ce cadre, mention-nons la convention de collaboration avec les HUG (Hôpitaux Universitaires de Genève) et la Faculté de médecine UniGE, signée en 2006, qui a marqué une étape importante dans le développement de la bio-ingénierie à Genève.

Marc JobinProfesseur HES, Responsable institut inSTImarc.jobin@hesge.ch

Fiche 1

IOMMicroscopie interférométriqueMarc Jobin

DescriptifNous avons développé un mi-croscope interférométrique (IOM) versatile permettant de répondre à de nombreux be-soins de caractérisation de sur-faces. Plusieurs fonctionnalités y ont été ajoutées au fil des projets, permettant par exemple de réaliser des films démontrant l’évolution de la topographie d’une surface à l’échelle nano-métrique, ou de mesurer la dé-formation de membranes sous contraintes mécaniques. Le mi-croscope est aussi beaucoup sollicité pour des projets impli-quant des phénomènes de frot-tement (tribologie).

Points forts• Résolution verticale inférieure

à 1 nm.• Intégration à un microscope à

force atomique.• Intégration à un nano-indenteur.• Mesure en temps réel (vidéo).• Mesure en milieu liquide.

Dans un microscope interférométrique (IOM), l’objectif est équipé d’un interféromètre et l’échantillon est posé sur un translateur piézoélectrique extrêmement précis (meilleur que le nanomètre). Cet instrument est très utilisé dans tous les domaines industriels où il faut observer des états de surface très fins, comme par exemple les dépôts de couches minces, les techniques de polissage électrochimique ou les structurations par photolithographie.

La photo ci-dessus représente un microscope interférométrique déve-loppé à hepia que nous utilisons dans toutes nos activités de recherche impliquant l’observation de topographies de surface. Les figures 1 et 2 sont des exemples de mesures pour les deux modes couramment utilisés : le mode en lumière blanche (figure 1) qui permet l’observation de corru-gation jusqu’à plusieurs dizaines de microns et le mode en lumière mono-chromatique permettant des résolutions inférieures au nanomètre. Sur la figure 2, on voit des marches associées aux plans atomiques de carbone d’un échantillon de graphite.

L’intérêt d’avoir pu développer nous-mêmes le système de mesure interé-rométrique est de disposer d’un instrument très versatile, tant au niveau du matériel que du logiciel. Nous avons par exemple combiné l’IOM avec un microscope à force atomique AFM (figure 3) ce qui permet d’exploiter simultanément la résolution latérale de l’AFM et la résolution verticale de l’IOM sur de grandes surfaces d’observation. De même, nous avons intégré l’IOM avec un nano-indenteur (NIND) de façon à pouvoir observer les nanodéformations de microsystèmes (MEMS/NEMS) lorsqu’on leur applique des forces mécaniques très bien contrôlées. La figure 4 montre l’intégration IOM/NIND ; l’encart montre un résultat sur une nanomem-brane (épaisseur 500 nm) déformée par une application en son centre d’une force de 70 um.

Microscope interférométrique développé à hepia.

Fiche 1

ValorisationPublications :

• M. Jobin, R. Foschia « Improving the resolution of interference microscopes », Measurement, 41, 896 (2008).

• M. Jobin, R. Foschia, « Real-Time Interferometric Microscopy in Liquids, » in Biomedical Optics, OSA Technical Digest (CD) (Optical Society of America, 2010), paper JMA37.

Utilisation dans des projets :

• Projet « PRODIM », CTI no 9252.

• Projet « RC 2 », FP6 (programme européen) no 31236.

Légendes

1 - Mode lumière blanche (basse cohérence) : image de gravure SiO2/Si.

2 - Mode lumière monochromatique : image de marche atomique de graphite.

3 - Intégration avec un microscope à force atomique.

4 - Intégration avec un nano-indenteur : insert : image d’une nanomembrane sous pression.

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CAESAR Team sur la fusée REXUSUne équipe d’étudiants d’hepia lance une expérience de microgravité sur une fusée ESA Roberto Putzu

DescriptifUne équipe d’étudiants a été choisie pour lancer une expé-rience de microgravité sur la fusée REXUS (Rocket EXperiment for University Students) dans le cadre d’un projet didactique de l’Agence spatiale européenne (ESA). Les étudiants, soutenus par des professeurs de l’école et dirigés par un comité d’experts d’ESA, devront conduire l’expé-rience à travers toutes les phases d’un projet spatial : de l’accep-tation au lancement.

Points fortsLe projet vise à intégrer des étudiants motivés au sein d’un axe de recherche du laboratoire de mécanique des fluides de l’école. De par sa grande com-plexité et son envergure, ce projet stimule les étudiants en les motivant pour atteindre un objectif ambitieux. Par ailleurs, ce projet renforce les liens per-sonnels au sein du groupe et contribue à la mise en valeur de leurs compétences propres afin d’atteindre un objectif scienti-fique commun. Scientifique-ment, le projet vise à récolter des données expérimentales impossibles à obtenir en envi-ronnement gravitationnel.

Le projet, inscrit dans un programme de recherche d’hepia sur les écoule-ments capillaires en microgravité, s’intéresse au comportement des liquides en apesanteur en présence d’un dispositif capillaire qui se nomme « éponge » dans la littérature dédiée.

Le programme de recherche vise à comparer des résultats numériques et théoriques avec des données expérimentales obtenues au moyen d’essais différents. Ainsi, dans le cadre de ce projet, on s’intéressera en particulier à l’annulation de la force de gravité par la flottaison des liquides, par la lévi-tation magnétique et par le vol parabolique d’une fusée sonde.

En ce qui concerne la flottaison des liquides, un banc de tests a été développé au sein de l’école afin de pouvoir obtenir des résultats « in situ ». En parallèle, une collaboration avec le Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA) est prévue pour effectuer le test de lévitation magnétique. Enfin, pour compléter la base de données expérimen-tales présentée ci-dessus, l’équipe CAESAR (Capillarity based Experiment for Spatial Advanced Research) participera à la campagne d’essais REXUS rendue disponible aux étudiants par l’Agence spatiale européenne (ESA) avec, pour but, de reproduire en vraie apesanteur le comportement simulé en laboratoire.

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CAESAR Team, Capillarity-based Experiment for Spatial Advanced Research.

ValorisationUn programme de valorisation du projet est prévu : il sera présenté au grand-public dans la presse, puis lors des portes ouvertes de l’école, et également dans le cadre de présentations qui seront organisées pour les étudiants des écoles secondaires afin de les intéresser aux techniques de l’ingénieur. En parallèle, l’équipe de recherche s’engage sur le plan scientifique à rédiger des communications scientifiques, afin d’officialiser les informations qui seront acquises à l’issue de ce projet.

Equipement particulierLe programme REXUS/BEXUS met à disposition de l’équipe un moyen d’essai exceptionnel, une fusée sonde.

Il est réalisé dans le cadre d’un accord bilatéral entre le Centre Aérospatial Allemand (DLR) et le Comité National Suédois de l’Espace (SNSB). L’accès à la partie suédoise de la charge payante a été rendue accessible aux étudiants d’autres pays européens au travers d’une collaboration avec l’Agence spatiale européenne (ESA).

EuroLaunch, organe issu d’une coopération entre le Centre Spatial d’Esrange de la Corporation Spatiale Suédoise (SSC) et la Base de Fusée Mobile (MORABA) du DLR, est responsable de la gestion de la campagne et de l’exploitation des lanceurs. Des experts de l’ESA, de la SSC et du DLR fournissent un support technique aux équipes d’étudiants tout au long du projet.

Fiche 2

Légendes

1 - Cellule de test pour l’expérience de lévitation magnétique.

2 - Cellule de test pour l’expérience de flottaison.

3 - Expérience de flottaison.4 - Une étudiante prépare un essai de

flottaison.5 - Cellule de test pour une expérience

numérique.6 - Le CAESAR Team présente l’expérience

devant les experts de l’agence spatiale.

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Fiche 3

DiagnotoxTests de toxicité et bio-instrumentation : une collaboration entre Epithelix Sàrl et hepiaPhilippe Passeraub

Dans le cadre d’un projet CALL HES-SO et de travaux successifs, hepia et Epithelix collaborent depuis 5 ans au développement d’une plate-forme innovante d’instruments pour le diagnostic in vitro de toxicité à faibles doses et sur le long terme.

En effet, l’inquiétude quant aux réels effets à long terme des produits chimiques, molécules diverses et nanoparticules sur la santé humaine est aujourd’hui partagée par un nombre croissant de personnes et d’entre-prises. Un très grand nombre de nouveaux tests devraient pouvoir être menés. Toutefois, pour des raisons éthiques, les expérimentations animales sont de plus en plus limitées. Une alternative, ne nécessitant que très peu voire aucune vie animale, est basée sur le développement des tests in vitro. Néanmoins, il n’existe aucune méthode standard de détermination de la toxicité établie et universelle. De plus, pour mener des études de qualité sur le long terme, l’intervention de l’œil expert est indispensable à ce jour. Il s’agit d’une tâche chronophage et contraignante. La plate-forme d’instru-ments développée lors de ce projet démontre le potentiel des techno-logies modernes de miniaturisation pour répondre de manière originale et prometteuse à cette problématique.

Points fortsLe système microtechnique développé met en œuvre des chambres de culture de tissus in vitro disposant d’un capteur intégré dans un environnement contrôlé, combiné à un système de caméras performantes. Le logiciel développé facilite l’acqui-sition et l’enregistrement de données et d’images, et permet un premier traitement d’images en temps réel, simultanément avec la mesure de la conduc-tance électrique du tissu. L’œil de l’expert est ainsi remplacé, et même dépassé. Le système permet, par exemple, d’accéder à des cellules d’épithélium pul-monaire, invisibles à l’œil, à la vitesse de battement des cils.

Un effet toxique peut ainsi être identifié et observé dès les premiers signes de souffrance du tissu, rendant cette nouvelle méthode parti culièrement sensible et efficace. Des obser-vations de longue durée sont possibles facilitant les études sur les effets de faibles doses de produits sur le long terme.

Fiche 3

ValorisationActuellement, ce projet fait l’objet d’un premier transfert de technologies chez le partenaire industriel Epithelix Sàrl. Quant aux travaux futurs, ils se concentreront sur la parallèlisation et l’automatisation visant les tests à haut débit. Ce développement en ingénierie appliquée aux sciences du vivant (bio-ingénierie) va permettre à l’une de nos plus prometteuses sociétés Genevoises issue de l’incubateur Eclosion et lauréate du Prix de la Jeune Industrie de Genève 2010 de se déve-lopper en proposant des prestations de services à hautes valeurs ajoutées.

Légendes

1 - Schéma de la fonction d’ensemble du système de monitorage développé.

2 - Photographie de l’intérieur de la plate-forme où le tissu biologique est introduit pour être observé et testé.

3-4 - Photographies de la chambre de culture pour le tissu biologique avec vue détaillée des électrodes de mesure d’impédance déposées sur la membrane poreuse. Le tissu est placé sur cette membrane à l’interface « milieu de perfusion » - « air ambiant ».

5 - Vue d’un des panneaux du logiciel déve-loppé pour commander le système et acquérir les images et signaux. Sur cette vue, l’image de la face supérieure du tissu d’épithélium pulmonaire est affichée ainsi que le spectre en fréquence du battement ciliaire pour une zone choisie du tissu (avec un pic ici à 10.4 Hz).

6 - Résultats expérimentaux de l’influence de l’application d’une molécule toxique (méthyle de mercure) sur l’impédance électrique après 24 heures. Le module de l’impédance décroît à basse fré-quence lorsque la concentration de la molécule testée augmente, reflétant le nombre croissant de cellules mortes à plus haute dose.

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Fiche 4

Micro EDM milling II Modular system for high-precision micro-EDM-milling manufacturing technologyJacques Richard

Points fortsLe micro-EDM-milling permet de réaliser de petites cavités profondes comportant des détails fins ; ceci dans des matériaux même extrêmement durs. Actuellement, aucune autre technique n’est capable de réaliser de telles performances. En effet, les outils du micro-EDM-milling sont de petites électrodes en rotation à l’extré-mité desquelles les étincelles permettent d’éroder la matière, à l’image d’une fraise de coupe, mais sans les efforts qui mena-cent de briser l’outil. Ainsi, le micro-EDM-milling trouvera de nombreuses applications dans les domaines de la micromécanique.

Mini-cavité.

DescriptifLe micro-EDM-milling est une nouvelle technologie d’usinage par électro-érosion, capable de réaliser des petites cavités profondes comportant des détails fins, dans des matériaux même extrêmement durs, et ce, sans avoir à fabriquer au préalable des électrodes de forme bien définie (comme c’est le cas dans l’enfonçage).

Un premier projet CTI a permis d’établir les bases physiques et de prouver la faisabilité de cette nouvelle technologie d’usinage – il fallait notamment démontrer qu’une électrode pourtant fine et flexible pouvait être stabilisée par sa rotation, de façon à rendre possible un usinage précis.

Le second projet CTI vise à permettre l’industrialisation du procédé : système de préhension de l’électrode, générateur d’étincelle dédié et gestion de l’usure de l’électrode au niveau de la machine sont les princi-paux défis à relever pour y parvenir (partenaire : +GF+ AgieCharmilles SA).

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Equipement particulierCe projet a nécessité l’acquisition par hepia d’une machine à mesurer de haute précision (WERTH videocheck équipée d’un palpeur fibre) de façon à disposer de moyens de mesure appropriés pour caractériser dimension-nellement les performances du micro-EDM-milling.

Légendes

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2 - Fraisage EDM, © Hervé Sthioul.

Micro-fraisage EDM, Extrait d’une vidéo, René Demellayer.

3 - Schéma de principe du micro-fraisage EDM, la contrainte due à la fabrication d’une électrode complexe est remplacée par le mouvement d’une électrode de forme standardisée.

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Fiche 5

Hydrodynamique des particules dans le procédé d’usinage par électro-érosion en enfonçagePatrick Haas

DescriptifEn collaboration avec la société AgieCharmilles SA, hepia est active depuis de nombreuses années dans le domaine des procédés d’usinage de type électro-érosion par enfonçage. Ces procédés, qui permettent la mise en forme de matériaux de dureté très élevée, génèrent des particules ou des débris qui doivent être évacués. Aujourd’hui, la partie électrique du procédé est bien maîtrisée car elle fait l’objet de développe-ments continus depuis plusieurs années. Par contre, la technique d’élimination des débris en cours d’usinage constitue un élément, qui influe très nette-ment sur la vitesse d’usinage.

Points fortsUne approche multidisciplinaire comprenant 3 chapitres est choisie. Le premier chapitre est expérimental en conditions de similitude, le second est numérique de type simulation CFD et le troisième est in situ. Chaque approche présente des avantages, et réunies, elles permettent de réaliser une étude crédible et efficace. L’approche expérimentale est réalisée en conditions de similitude à l’échelle 50:1. Les trajectoires des particules lors des mouvements de nettoyage sont analysées par traitement d’images ; des grandeurs physiques, telles que la pression sont mesurées en continu.

Lors de l’usinage par électro-érosion, une différence de potentiel est établie entre la pièce et une électrode. Lorsque la valeur de celle-ci est suffisante, une étincelle est générée à l’endroit où la résistance est la plus faible. Il s’agit en principe de l’endroit où la distance entre les deux pièces est la plus petite. Un canal ionique est créé au-travers de cette étincelle. Le générateur d’étincelles stabilise le courant pendant une durée déterminée (régime d’usinage). Les températures augmentent et un plasma est créé. Après ce temps, l’étincelle est interrompue. Le plasma disparaît et le fluide est à nouveau condensé. Ce phénomène crée localement un abaissement rapide de la pression. La matière de la pièce à usiner, liquide ou gazeuse, se solidifie rapidement sous forme de particules sphériques (voir les pho-tos). A ce stade, le processus a terminé un cycle et le système est prêt pour générer une nouvelle étincelle, qui ne se produira pas au même endroit car la distance entre les deux pièces a été augmentée. On « usine » l’endroit où la distance est la plus courte. L’électrode peut alors pénétrer dans la pièce à usiner sans qu’aucun contact physique n’existe. Toutefois, et c’est là que l’hydro dynamique intervient, il est nécessaire d’évacuer les débris, faute de quoi l’étincelle peut se reproduire au même endroit. Ceci provient du fait que les débris sont des corps conducteurs qui ont tendance à diminuer la résistance électrique du lieu où ils se trouvent. La vitesse d’usinage est donc gouvernée par notre capacité à évacuer les débris.

L’ensemble du système est immergé dans un fluide diélectrique, généra-lement de l’huile. L’évacuation des débris en usinage par enfonçage consiste à réaliser, après un temps d’usinage donné, des mouvements de va-et-vient de l’électrode de manière à générer un écoulement du fluide diélectrique dans les fentes autour de l’électrode et de la cavité. Ce mouve-ment doit permettre le brassage des débris, puis leur évacuation par les fentes latérales. La question qui nous importe est d’optimiser cette éva-cuation en jouant sur les paramètres tels que la fréquence des « sauts », leurs amplitudes ainsi que d’autres facteurs physiques.

Usinage d’un moule d’injection plastique par EDM enfonçage.

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ValorisationCe projet permet d’augmenter la vitesse d’usinage en optimisant le temps d’évacuation des débris. Ainsi, le partenaire industriel du projet pourra offrir à la vente des machines d’usinage plus productives. Une partie des résultats de ce projet seront présentés au 17e International Symposium on Electromachining ISEM 2013 à Leuven (Belgique) en mars 2013.

Equipement particulierhepia a développé et mis en service un banc d’essais à l’échelle 50 : 1. Elle utilise des caméras et des logiciels d’analyse d’images. Pour la partie simu-lation CFD, elle utilise le code Fluent en situation instationnaire et maillage dynamique. Les ordinateurs utilisés sont des serveurs SUN puissants et des stations de travail de type HP Z800 (96 Go RAM et 12 cores à 3 Ghz).

Légendes

1 - Banc d’essais en similitude à l’échelle 50:1.2 - Particules de débris formées par les

étincelles.3 - Cratère après formation d’une étincelle.4 - Maillage de simulation CFD.5 - Structure de l’écoulement généré dans la

première phase du retrait de l’électrode.© hepia – AgieCharmilles SA

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Fiche 6

PharMea Management Développement de dispositifs de tests in vitro à faible coût pour une nouvelle plate-forme de criblage de molécules à haut débit dans le cadre d’un projet européenPhilippe Passeraub

Points fortsPour relever le défi de développer une approche de fabrication plus simple, plusieurs méthodes d’impression ont été étudiées et testées. La technique de tampo-graphie s’est révélée la plus prometteuse pour la fabrication de pistes conductrices et isolantes sur membranes poreuses. La tampographie est en général utilisée pour l’impression de cadrans de montres, de textes ou de motifs sur divers supports (balles de golf, dispositifs médi-caux). Elle a aussi été utilisée pour imprimer à l’aide d’encre conductrice des antennes RF pour téléphones mobiles. L’ali-gnement de multiples étapes d’impression permet d’imprimer des motifs complexes. Ainsi, cette technique a permis le dé-veloppement d’un nouveau pro-cédé de fabrication compatible aux membranes polymères poreuses. Des biopuces MEAs ont été ainsi fabriquées avec succès sur des membranes poreuses en PET. Des pistes conductrices de largeur de 50 µm ou plus ont été imprimées et des résistivités de 0.4 Ω/ ont été obtenues. La biocompatibilité des MEAs produites a été démontrée. Des signaux bioélectriques pro-venant de tissus nerveux et car-diaques ont pu être enregistrés à l’aide de tels dispositifs.

Ainsi, malgré une résolution encore limitée, les MEAs impri-mées à l’aide de cette nouvelle technique sont fabriquées beaucoup plus rapidement et avec un effort sensiblement réduit. La tampographie est une technique prometteuse et adaptée pour la production de biopuces MEAs à faible coût.

DescriptifDans le cadre du programme européen, FP7 Capacities, divers partenaires industriels et équipes de recherches anglaises, françaises et suisses ont joint leurs efforts ces 3 dernières années pour développer une nouvelle plate-forme de tests bioélectriques multicanaux (256 à 1024 canaux) pour tissus nerveux et cardiaques.

En effet, les biopuces à réseaux de microélectrodes (MEAs pour « Micro-Electrodes Arrays ») sont utilisées en biologie et en recherche médicale pour la stimulation et l’enregistrement de signaux bioélectriques à partir de cultures de tissus ou de cellules excitables. Ces tests in vitro représentent une alternative prometteuse, particulièrement pour remplacer les expé-riences qui cherchent à déterminer la toxicité d’une molécule en utilisant des animaux. Les techniques de criblage à haut débit de molécules permettent d’accroître la productivité de ce type de tests. Pour ceci, un nombre croissant de dispositifs à faible coût et à usage unique sont demandés. Généralement, les MEAs sont fabriquées par lots en utilisant plusieurs étapes de photolithographie. Toutefois, pour des raisons pra-tiques dépendant de l’application, la miniaturisation des MEAs n’est pas possible. Ainsi, l’avantage de la fabrication par lots est limité et l’effort global de fabrication est considérable.

Par contre, les membranes poreuses en polymère représentent un substrat prometteur pour les nouvelles générations de MEAs, car elles donnent au biologiste une flexibilité accrue dans ses cultures et protocoles d’expériences. Toutefois, ces membranes poreuses rendent les étapes de microfabrication conventionnelles bien plus complexes du fait de la pré-sence de pores : soit le rajout de multiples étapes est nécessaire pour produire des pores, soit un polymère poreux doit être utilisé comme substrat avec des limitations spécifiques (p.ex. température maximale limitée, incompatibilité avec des étapes bouchant ou détruisant les pores).

Schéma de principe du procédé de tampographie. Le motif à imprimer est gravé sur le cliché. Une encre est appliquée sur le cliché à l’aide d’un encrier-racloir. Un tampon prélève l’encre du cliché pour l’imprimer sur la membrane. Le motif imprimé sur la membrane est fidèle au motif du cliché. Un cycle d’impression est relativement rapide (<10 secondes).

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ValorisationDéveloppement de dispositifs de tests in vitro à faible coût pour une nouvelle plate-forme de criblage de molécules à haut débit dans le cadre d’un projet européen.

Légendes

1 - Photographie d’un réseau de 40 bio- électrodes pour tests in vitro de cellules excitables (stimulation et enregistrement de signaux bio-électriques). En gris : les pointes des électrodes faites d’encre conductrice. En noir : la protection des pistes conductrices à l’aide d’une couche d’encre isolante.

2 - Photographie d’une plaque de test in vitro faite de 32 puits de 8 bio-électrodes utile en tant que consommable pour systèmes de tests in vitro à grande échelle et à haute productivité.

3 - Photographie d’une partie de la membrane poreuse de cette plaque obtenue par tampo-graphie multicouche (la couche isolante est ici transparente).

4 - Photographie au moyen d’un microscope à balayage électronique montrant le détail d’une impression par tampographie. La résolution d’impression est moyenne à bonne. Son grand avantage par rapport aux autres techniques de microfabrication : les pores ne sont pas bouchés ; le procédé est rapide et ne demande que peu d’énergie.

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Fiche 7

STEM-3DMulti-Organs on a Chip: The next generation of biochips to test new drugs or chemicalsLuc Stoppini

DescriptifWe have developed a small- volume in vitro system in which intestine-like cells, hepatocyte cells and 3D micro-organs derived from embryonic stem cells (cardiomyocytes and neural cells) were cultivated in 4 separate porous membrane micro-chambers connected by micro-channels with the presence of biosensors at different levels. A dedicated perfusion system based on air pressure was used to allow the circulation of the culture medium to the different micro-organs through a microfluidic system.

Points fortsOur technology will :• Accelerate the evolution of the

toxicity risks and hence dra-matically shorten research cycles for the pharmaceutical and other industries.

• Improve the performance of toxicity testing systems and make a major contribution to safety pharmacology.

• Bring the potential of major time- and cost-saving factors for drug and chemical com-pound screening due to the automatic perfusion and sampling platform that allow testing several biochips in parallel, and hence increasing the testing throughput.

In vitro cell-based assays are often of limited predictive relevancy because they do not mimic with sufficient realism the complex environment to which a drug candidate is subjected within a living organism. Recent studies had showed that cell toxicity assays, and assay endpoints are useful for high-throughput cytotoxicity analysis in microfluidic devices, and had also concluded that 3D cell cultures that mimic the in vivo tissue are essential for obtaining results comparable to the in vivo response.

Based on these results, we have fabricated a small-volume in vitro system in which 3D micro-organs derived from embryonic stem cells or human cell line cells are cultivated in separate porous membrane microchambers connected by microchannels with the presence of biosensors at different levels. By selecting appropriate bio-mimic different human tissues in 3D we are reproducing in vitro some aspects of complex interactions occurring in vivo. While conventional culture plate models only measure the response of a single cell type, our “Multiorgans-on-a-Chip” system will allow us to capture the reactions of organ system as a whole (“ organ interactions on-a-chip ” concept). For example, metabolites resulting from a drug’s influence on one organ can reach other organs and exert their positive or negative effect. These biochips will provide insight into inter-organ interactions resulting from exposure to pharmacological com-pounds, a capability which has not been previously demonstrated using in vitro systems. Therefore, we hope that this system will be a more predictive tool in experimental pharmaceutical screening for efficacy and toxicity.

Finally, in order to increase the throughput we are developing a semi-automatic platform which will allow us to screen molecules on up to 12 biochips in parallel.

Micro-organs are placed within micro-chambers with bio-sensors connected through a microfludic system.

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Valorisation• The development of our “MultiOrgans-on-a-Chip” will significantly

contribute to the reduction and replacement (3R’s) of animal experiments.

• The proliferation and the cell growth in three-dimensional structures will give us unique opportunities to observe selected cell behavior under normal or pathological conditions. This knowledge will likely enable meaningful advances in tissue engineering to design func-tional bionic systems that will be used in regenerative medicine.

• There is clearly a need for more predictive in vitro systems for the pharmacy industry (to decrease the attrition rate of new drugs), toxicology, and food companies. We have already received positive feed-back from our industrial partners to accept this kind of new technologies.

• In collaboration with Prof. KH Krause, we have created a start-up company Neurix S.A (a spin-out of the University of Geneva and hepia) that will offer services to pharmaceutical or food companies to assess the beneficial and detrimental effects of novel drugs or natural products (mandates).

• We have recently received a funding from the CTI to develop a specific assay that will open up new avenues for applied research as well as for the commercialization of this technology.

Légendes

1 - Visualization of the microfluidic system as well as the different biosensors integrated to the biochip.

2 - A semi-automatic system was developed where molecules to be tested are placed within standard microplates.

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Valorisation La valorisation de la recherche d’inSTI s’est réalisée par les publications scientifiques ou tout-public, les communications dans des congrès, des interventions ponctuelles dans divers médias (TV, radio, journaux), l’orga-nisation de manifestations scientifiques.

Sélection de valorisations « grand-public »

« La Biomobile devient de plus en plus écologique », M. Perraudin, TCS Genève, du 30 mai 2011.

« Plongée dans les entrailles du pont Butin qui abrite la soufflerie hepia », Tribune de Genève, CMEFE, du 29 mars 2011.

« Jetman prépare un exploit moins polluant », 20 minutes, M. Perraudin, du 5 avril 2011.

« Ces romantiques qui plongent dans le vide à plus de 200 km / h », Matin-dimanche, CMEFE, du 17 avril 2011.

« Cet automne, Genève prépare l’après Fukushima » - WEC 2011, Tribune de Genève, du 25 août 2011.

« Fukushima aussi grave que Tchernobyl », TSR le TJ 19h30, G. Triscone, du 12 avril 2011.

« Eau pour refroidir Fukushima », RSR Le journal de 7h (dès 01:20 :55), G.Triscone, du 30 mars 2011.

« L’océan Pacifique pollué par de l’iode radioactif de Fukushima », 24 heures, G. Triscone, du 30 mars 2011.

« Précise comme de la 3D modélisée, la géniale maquette entame une vie virtuelle », Tribune de Genève, J. Richard, du 29 mars 2011.

« Relief Magnin : les nouvelles technologies révèlent un chef-d’œuvre d’une précision remarquable ! », J. Richard, du 29 mars 2011.

« Genève cherche à unir l’industrie et la recherche ». + Lien sur étudiants.ch du 1er juillet 2011 : « Un nouveau centre pour dynamiser l’innovation genevoise. » L’UNIGE, la HES-SO Genève, l’OPI et l’IUG s’allient pour créer le Geneva Creativity Center, afin de favoriser l’éclosion de projets et de créer de nouveaux débouchés pour l’industrie et l’éco-nomie locales, Tribune de Genève, du 30 juin 2011.

Emission Télévision, TF1 journal de 20h (dès 27 minutes) : Ski de vitesse - La soufflerie du CMEFE, du 19 avril 2011.

Emission de la RSR-Babylone :http ://www.rsr.ch/#/espace-2/programmesbabylone/?date=07-06-2011 / M. Perraudin, Biomobile, du 7 juin 2011.

Emission de la RSR-Prise de Terre :http ://download.rsr.ch/la-1ere/programmes/impatience/2011/impatience_20110603_standard_sequence-1_3438a415-e126-4a4d-9273-912f2ca23a60-128k.mp3 / M. Perraudin, Biomobile, du 3 juin 2011.

Vidéo réalisée par Mavic en collaboration avec la soufflerie d’hepia. MAVIC _ vidéo Recherche et développement sur les roues aérodynamiques, P. Haas, du 24 octobre 2011.

Vidéo figurant dans le Triathlon Hebdo : Fred Van Lierde au Cmefe. vidéo :http ://www.youtube.com/watch?v=UHeMEM6Citk. lien : http ://www.triathlon-hebdo.com, CMEFE, du 15 septembre 2011.

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Sélection de valorisations scientifiques

Gorthi S., Duay V., Bresson X., Bach Cuadra M., Sanchez Castro F. J., Pollo C., Allal A. S., Thiran J.-P. « Active Deformation Fields : Dense Deformation Field Estimation for Atlas-based Segmentation using the Active Contour Framework », Medical Image Analysis Journal, May 2011.

Passeraub P., Moreillon F., Morenzoni D., Meyer J., Perret J., Hakkoum D., and Stoppini L. « Diagnotox : une plateforme innovante d’instruments pour le diagnostic in vitro de toxicité à faibles doses et sur le long terme », Brochure HES, A. B. M. Cassard, M. Torbay, Ed. Genève : HES-SO Genève, 2011, pp. 7

Annessi-Ramseyer K., Passeraub P., Turck N., Borradori L., Favre B., Hochstrasser D. F., Fontao L., and Zimmermann-Ivol C. G., « Multiple autoantibodies detection for bullous pemphigoid by protein microarray » deI. HUPO 2011. Geneva, 2011-submitted.

Conférences et congrès

Jotterand S., Jobin M. « Characterization of P3HT :PCBM :CdSe hybrid solar cells », hepia, University of Appied Sciences (HES-SO), in E-MRS 2011 – Spring Meeting-IUMRS ICAM 2011 & E-MRS / Bilateral Conférence on Energy, Technical sessions : May 9-13, 2011-Exhibit : May 10-12, 2011, Congress Center, Nice, France.

Brunner, Y. EUROTOX Congress, Paris, 27.08-31.08.2011, Young Scientist Award, BO HOLMSTEDT, Poster « Award for describing a feasible method for the solution of a toxicological problem under maximum respect of the 3R-principle (Reduce, Refine, Replace animal testing) ».

Brunner Y., Giron P. et al. « Development of rat and human in vitro models for the investigation of testicular toxicity », 47th Congress of the European Societies of Toxicology (EuroTox), Paris, August 2011. (Poster Award).

Stoppini L. et al. « Three-dimensional neural-like tissue derived from hESCs as an in vitro model for neurotoxicity », 47th Congress of the European Societies of Toxicology (EuroTox), Paris, August 2011. (Oral Presentation).

Stoppini L. et al. « 3D in vitro engineered nervous tissue derived from mouse and human embryonic stem cells » Euroglia 2011, oral presentation, Prague.

Stoppini L. et al. « 3D Engineered Tissues from primary or human embryonic stem cells as new tools for in vitro toxicology studies ». RIFM INFOX, May 18th 201, Brussels. (Oral Presentation).

Stoppini L. et al. « 3D Engineered Tissues from primary or human embryonic stem cells as new tools for in vitro toxicology studies ». Interactive Symposium Research in Applied “Health & Life Sciences” July 8th, 2011 UniS Schanzeneck, poster, University of Berne.

Stoppini L. et al., « Gene expression from 3D neural-like tissue derived from Human Embryonic Stem Cells as an in vitro model for neurotoxicity ». Seminars in Molecular Toxicology University of Basel May 16th 2011. An Integrated Microfabricated Device for Dual Microdialysis and in vitro Blood-Brain Barrier, présentation orale, Stoppini L. et al., Stem Cell Platform meeting May 17th 2011 Hoffman-La-Roche Basel.

Stoppini L. et al.Stem-3D project presentation, « Multiparametric monitoring of engineered tissues from embryonic stem cells (ESCs) : tools for « Human-based in vitro testing systems» and « organ replacement», video :

http ://www.youtube.com/watch?v=DFTYgvh6LJE, Call 2009 meeting HESSO November 17th 2011 Lausanne.

Stoppini L. et al. « Tests in vitro en Toxicologie : Problématique de santé publique et bioinstrumentation pour la mesure de divers paramètres biologiques ». Journée des Microtechniques médicales HESSO, Lausanne, mardi 13 septembre 2011. (Oral Presentation).

Journée des Microtechniques médicales, organisée par le RCSO-ISYS, en collaboration avec la FSRM et l’association sensors.ch, Lausanne, du 13 septembre 2011.

Rue de la Prairie 4CH-1202 Genève

Tél. +41 (0)22 546 24 00Fax +41 (0)22 546 24 10

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