Summary:

Les pinces acoustiques basées sur les vortex acoustiques focalisées ouvrent de nouvelles perspectives pour la manipulation sans contact et sélective d’objets millimétriques à micrométriques, avec une sélectivité et des forces appliquées difficilement atteignables avec les autres méthodes. La première démonstration du piégeage et de la manipulation 3D d’une particule avec des vortex acoustiques a été effectuée en 2016 avec une matrice de transducteur ultrasonores pilotés par une électronique programmable. Récemment, il a été proposé d’utiliser des pinces acoustiques holographiques basées sur des transducteurs interdigités en spirales pour développer des pinces acoustiques miniaturisées compatibles avec un environnement de microscopie standard. Dans cette thèse, nous avons exploré les possibilités offertes par ce type de pince acoustiques pour adresser les problèmes suivants. 1) Manipuler sélectivement et organiser des cellules humaines avec des forces importantes (200 pN) sans pré-marquage et sans affecter la viabilité des cellules. 2) Créer des pinces acoustiques très haute fréquence (250 MHz) avec une forte sélectivité et capables de manipuler des microparticules de 4 microns avec des forces de l’ordre du NanoNewton. 4) Déplacer des microparticules en 3D dans un environnement libre et les translater axialement sans déplacement du transducteur. Ces objectifs ont été atteints en développant de nouvelles méthodes numériques et des procédure expérimentales adaptées, qui nous ont permis de concevoir des pinces acoustiques avec les capacités recherchées. Ce travail ouvre des perspectives dans le domaine de la microbiologie pour étudier les interactions cellulaires et leur réponse à des sollicitations mécanique, mais aussi pour la spectroscopie de force acoustique.

Abstract:

Acoustic tweezers based on focused acoustic vortices open new perspectives for non-contact and selective manipulation of millimeter to micrometer objects, with selectivity and applied forces not easily achieved with other methods. The first demonstration of trapping and 3D manipulation of a particle with acoustic vortices was performed in 2016 with an array of ultrasound transducers driven by programmable electronics. Recently, holographic acoustic tweezers based on interdigital spiral transducers have been proposed to develop miniaturized acoustic tweezers compatible with a standard microscopy environment. In this thesis, we have explored the possibilities offered by this type of acoustic tweezers to address the following problems. 1) Selectively manipulate and organize human cells with high forces (200 pN) without pre-labeling and without affecting cell viability. 2) Create very high frequency (250 MHz) acoustic tweezers with high selectivity and capable of manipulating 4 micron microparticles with NanoNewton forces. 4) To move microparticles in 3D in a free environment and translate them axially without moving the transducer. These objectives have been achieved by developing new numerical methods and adapted experimental procedures, which allowed us to design acoustic tweezers with the desired capabilities. This work opens perspectives in the field of microbiology to study cellular interactions and their response to mechanical solicitations, but also for acoustic force spectroscopy.