Micropinces (MEMS)

Les outils couramment utilisés pour la micromanipulation, comme les micropipettes ou les pinces optiques, peuvent se révéler coûteux ou volumineux. L'utilisation de micropinces mécaniques présente des avantages en termes de robustesse, de flexibilité dans la manipulation et d'absence d'interférences optiques ou électriques avec l'échantillon[1]. Elles permettent par exemple de déplacer et positionner individuellement des cellules, de les isoler et de réaliser des opérations endoscopiques. Les micropinces peuvent se révéler utiles en microchirurgie, pour maintenir immobiles des vaisseaux sanguins, des micro-seringues et autres objets. Elles permettent de filtrer les mouvements non désirés tels que les tremblements de la main[2].

Les micropinces peuvent également être utilisées pour caractériser mécaniquement des vaisseaux sanguins, des cellules et autres micro-matériaux. Ils sont alors compressés entre les bras de la pince qui mesure la force correspondante et permet ainsi de définir leurs propriétés élastiques. La déformation peut être observée optiquement et mesurée grâce à des capteurs. Ceci permet par exemple de définir si des micro-capsules sont assez résistantes pour traverser un vaisseau sanguin, des tissus ou une micro-seringue, leur rupture pouvant entraîner, entre autres, une réponse immunitaire indésirable et des performances moindres[3].

Les micropinces peuvent être utiles dans la manipulation et l'assemblage de petits objets constituant les composants de structures biomédicales. Dans ces cas-là, elles ne sont pas nécessairement biocompatibles, car elles ne seront pas forcément utilisées dans la manipulation de matériel biologique. Par exemple, l'assemblage d'hydrogels avec une micropince permet de constituer une structure similaire au tissu vasculaire[4].

Les micropinces à actuation électrostatique utilisent des capacités parallèles arrangées en peigne[5] - [6] - [7]. L'application d'une tension permet de déplacer la partie mobile du peigne. Le mouvement des plaques peut être latéral ou transversal. Dans le cas d'une micropince de type transversal, la relation entre la tension appliquée et la distance entre les plaques est non linéaire. De fait, il est très difficile de contrôler le point de pull-in, c'est-à-dire la tension à partir de laquelle les doigts vont subitement se plaquer l'un contre l'autre. On utilise donc en général le type latéral qui présente des avantages en termes de linéarité et de simplicité de contrôle.

L'actuation électrostatique permet de grands déplacements, sans hystérésis et à faible température. La structure est simple et le courant traversant le bras de la pince est négligeable, la rendant isolée électriquement. Le principal inconvénient de ce type de pince est sa tension élevée qui est nécessaire pour tout large mouvement. Elle peut être réduite en augmentant le nombre de doigts, ce qui complexifie le processus de fabrication. La géométrie et l'agencement des doigts peuvent également être modifiés pour réduire la tension de commande.

L'actuation électrothermique utilise la différence de coefficient d'expansion thermique entre deux matériaux[8] - [9] - [10]. Lorsqu'un potentiel électrique est appliqué sur un matériel conductif, le matériel génère de la chaleur et ses dimensions sont modifiées, de sorte que les bras de la pince se referment l'un sur l'autre. Un nombre élevé de micropinces électrothermiques utilisent ainsi du SU-8, car ce matériau bénéficie d'un haut coefficient d'expansion thermique tout en étant biocompatible. Il peut également être utilisé à faible température, ce qui est intéressant au vu des problèmes de compatibilité en température de ces micropinces avec le matériel biomédical. Une isolation peut en effet se révéler nécessaire pour certaines structures et certains matériaux dont la température trop élevée peut détruire l'objet manipulé. Ces pinces peuvent également présenter des problèmes de non linéarité, mais elles sont faciles à fabriquer et permettent de grands déplacements.

L'actuation pneumatique[11] utilise de l'air compressé pour fermer les bras de la pince. La structure de base est composée d'un piston relié au carter par des ressorts. L'application d'une pression déplace le piston et active la pince. Les déplacements en sortie sont larges mais ces pinces sont volumineuses et le processus de fabrication est complexe. Les micropinces à actuation électromagnétique[12] présentent les mêmes avantages et inconvénients. Elles utilisent la force de Lorentz générée par un conducteur parcouru par un courant et plongé dans un champ magnétique statique. L'application d'une tension à l'actuateur entraîne l'ouverture des bras de la pince.

L'actuation par AMF utilise la déformation crystalline induite par un changement de température entre une phase ductile et une phase à très grande résistance[13]. A faible température, le matériau se déforme facilement. Sa forme initiale est rétablie à haute température. Le processus de fabrication de ces micropinces est simple et peu coûteux, mais leur vitesse est faible, tout comme leur efficacité énergétique.

On compte divers autres types d'actuation. Les micropinces peuvent par exemple utiliser des matériaux piézoélectriques[14] - [15] qui génèrent des déplacements linéaires et précis. Ils sont cependant coûteux à la fabrication et présentent des problèmes d'hystérésis. Des structures plus complexes telles que les microcages[16], qui possèdent plusieurs bras, ont également été élaborées, mais elles nécessitent de fortes température et tension.