Les Instituts de recherche hepia
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L’avenir est à créer
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 Territoire avec pour axes stratégiques de recherche : • Agglomérations et paysages • Architectures et ouvrages performants • inIT : institut d’ingénierie Informatique et des Télécommunications avec pour axes stratégiques de recherche : • Systèmes embarqués et temps réel • Systèmes distribués à grande échelle • Interaction société machine • inSTI : institut des Sciences et Technologies Industrielles avec 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-Environnement avec 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.
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Gilles Triscone Professeur HES, Responsable de la coordination Ra&D gilles.triscone@hesge.ch
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, rétroconception, 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.
De plus, inSTI attache une valeur particulière à établir des collaborations fortes avec certains partenaires, qu’ils soient industriels, étatiques, semi-étatiques, ou académiques. Dans ce cadre, mentionnons 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 Jobin Professeur HES, Responsable institut inSTI marc.jobin@hesge.ch
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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.
inSTI Photovoltaïque organique La nanotechnologie au service de l’énergie de demain Marc Jobin
Descriptif Nous développons une activité de Ra&D dans le domaine du photovoltaïque organique. Nous recherchons surtout à intégrer des matériaux nanostructurés tels que les points quantiques pour augmenter le rendement de conversion énergétique, ou des couches sol-gel, dont les coûts de fabrication sont très bas.
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Points forts • Installation d’une double boîte à gants avec évaporateur thermique intégré. • Fabrication de cellules solaires organiques P3HT/ PCBM, avec ou sans « quantum dots ». • Développement d’un système original de mesure d’efficacité quantique de conversion photo-électrique. • Utilisation de nanocristaux « upconverter » pour augmenter l’efficacité dans l’infra-rouge.
La technologie OPV (organic photovoltaic), très récente, est prometteuse en termes de coût de fabrication et sera probablement la technologie de choix pour certaines applications telles que les vitres photovoltaïques. De gros efforts sont déployés de par le monde afin d’augmenter le rendement et la durée de vie de ces cellules. Les matériaux de l’OPV ne supportent pas le contact avec de l’eau ou de l’oxygène, ce qui nécessite de les manipuler dans une boîte à gants remplis d’azote : la concentration d’H2O et de O2 est alors < 0.1ppm. Dans ces conditions, les différentes couches organiques de la cellule peuvent être déposées par « spin-coating » et traitées thermiquement. L’épaisseur des couches, typiquement de 100nm ou moins, doit être très constante sur toute la surface de la cellule, qui peut atteindre quelques dizaines de cm2. Nous avons pu optimiser les traitements thermiques des couches et montrer l’influence de la succession des traitements sur le rendement final. Dans un deuxième temps, nous avons également du développer notre propre système de mesure d’efficacité quantique, c’est-à-dire un système qui permet de connaître l’efficacité de conversion pour chaque longueur d’onde solaire (entre 300nm et 1200nm) Nous avons également utilisé des nanoparticules pour améliorer le rendement de cellules photovoltaïques organiques, rendements démontrés pour les trois cas suivants : • ajout de points quantiques (quantum dots QD) CdSe • ajout de couche de cristaux à effet « up-conversion » de NaYF4:Er,Yb • remplacement de la couche de transporteur de trou PEDOT:PSS couramment utilisée par une couche d’oxyde de métaux de transition (MoO3) obtenue par synthèse sol-gel.
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Valorisation Publications et présentations S. Jotterand, M. Jobin, « Characterization of P3HT:PCBM:CdSe hybrid solar cells », Energy Procedia, 31, 117 (Présentation à E-MRS, Nice), 2012. M. Jobin, C. Pellodi « Organic Solar Cells improvement with quantum dots, up-converters and MoO3 hole transport layers » Proc. SPIE 9140, 914008-2. (Présentation à SPIE Photonics Europe, Bruxelles), 2016.
Légendes 1 - La boîte à gants constitue l’environnement sec nécessaire à la fabrication de cellules solaires organiques. 2 - Le simulateur solaire permet de reproduire fidèlement la radiation solaire afin de tester de façon réaliste les performances des cellules solaires. 3 - Les nanocristaux permettant de convertir la lumière infrarouge en lumière verte (visible sur la photo) sont analysés dans un cryostat optique. 4 - Spectre de photoluminescence des nanocristaux upconverter, à température ambiante (300K) et à la température de l’azote liquide (77K).
Ra&D Rue de la Prairie 4 CH - 1202 Genève
Tél. +41 (0)22 546 24 00 rad.hepia@hesge.ch www.hesge.ch/hepia
inSTI CleanCity Drone Développement d’un drone pour la mesure de la pollution en milieu urbain Patrick Haas
Descriptif Sur la base d’une plateforme de type hexa-coptère produite par la société fly-n-sense, hepia développe un drone de mesure de la pollution urbaine. Il s’agit d’un aéronef capable de se stabiliser de manière précise en un point de la ville et de mesurer les niveaux de pollution.
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Points forts • Le drone hepia est un système capable de réaliser une trajectoire programmée avec une précision inférieure au mètre. Il est muni de capteurs de particules fines PM10, d’ozone et de NO2. • Il complétera les mesures réalisées actuellement au sol par les spécialistes des organes de l’Etat. De plus, sa capacité à effectuer des mesures à des altitudes allant jusqu’à 200 mètres permet d’offrir une meilleure compréhension des phénomènes physiques liés au climat urbain.
La problématique des études de diffusion de polluants en milieu urbain se heurte difficulté de pouvoir mesurer à l’aide de techniques connues et fiables, la teneur en particules fines PM10, ozone et NO2 de l’air que nous respirons. A cet effet, hepia a instrumenté un drone commercial qui permet de réaliser des cartes géographiques de la concentration des polluants mais aussi des profils de température, de pressions atmosphériques, de vents, etc. Elles permettront de comprendre la diffusion des polluants non seulement proche du sol, mais également à faible altitude. Le système est utilisé pour réaliser des mesures dans des quartiers de la ville. Il permet également dans le cadre d’études par simulations numériques de renseigner et préciser les paramètres physiques qu’il faut imposer aux frontières (conditions-limites). Les spécialistes de la mesure des polluants utilisent depuis de nombreuses années des appareils qui ont fait leurs preuves et mis au point des procédures d’échantillonnage. Ces méthodes ne peuvent par contre pas être utilisées telles quelles car les masses des systèmes de mesure utilisées ne sont pas compatibles avec les charges utiles d’un drone. L’équipe de recherche a donc du revenir sur les choix faits il y a quelques années et valider d’autres instruments de mesure. Des méthodes par absorption optique, ainsi qu’un système de mesure des particules fines fonctionnant par réfraction et développé par le CNRS, ont été mis au point. Ces systèmes ont nécessité une validation longue et minutieuse. Aujourd’hui, hepia possède un aéronef capable de mesurer ces grandeurs et a débuté une campagne de mesure extensive des polluants dans le quartier des Pâquis à Genève. Ce quartier a été choisi comme étant représentatif d’une problématique urbaine typique.
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Valorisation • Le drone est actuellement en cours d’utilisation dans des quartiers de la ville de Genève. Il réalise des analyses permettant la réalisation de conditions aux limites pour un projet de simulation de la diffusion de polluants en milieu urbain. • Les développements de ce projet ont été présentés à la conférence Applied Aerodynamics Conference de l’American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA) à Atlanta en juin 2014. • Une thèse de Master de l’Université de Bologne, de l’UPMC (Paris 6), ainsi que deux travaux de Bachelor hepia ont été réalisés sur cette thématique.
Equipement particulier Légendes 1 - Le drone hexacoptère hepia muni de la nacelle de mesure des particules fines PM10 développée par le CNRS. 2 - Etude aérodynamique dans la grande soufflerie hepia-cmefe. 3 - Vol avec une nacelle de mesure. 4 - Etude aérodynamique par simulation CFD, hepia-cmefe. 5 - Mesures de PM10 dans un quartier de la ville de Genève.
Aéronef
Six rotors contrarotatifs 3 par 3 Charge utile 1.2 Kg Masse totale max. 3.5 Kg
Système de mesures PM1 O3 NO2, NO, NOx
LOAC Absorption à 254 nm Absorption à 405 nm des NO2
Rue de la Prairie 4 CH - 1202 Genève Ra&D
Tél. +41 (0)22 546 24 00 rad.hepia@hesge.ch www.hesge.ch/hepia
inSTI CLOVIS Un implant à géométrie variable pour les fractures du fémur proximal Eric Vittecoq
Descriptif Les fractures du fémur proximal (plus communément appelées du col du fémur) se traitent à l’aide d’une prothèse (remplacement de l’os) ou d’un implant (conservation du capital osseux). Ces derniers sont les plus utilisés dans les cas d’urgence, mais posent de nombreux problèmes en particulier chez les personnes âgées (fracture secondaire, défaillance de l’implant, mauvaise stabilisation de la fracture). Le but de ce projet est de concevoir un implant original, minimisant ces problèmes.
Points forts En comparaison avec les implants actuels, CLOVIS offre : • une sollicitation plus faible de l’implant, d’où un moindre risque de défaillance. • une meilleure sollicitation de l’os et du foyer de fracture • une meilleure stabilisation de la fracture. • un réglage continu de l’angle céphalo-diaphysaire et de la longueur de la vis céphalique. • une plus faible invasivité (deux incisions de moins de 5 cm). • une plus grande liberté pour le chirurgien (réglage peropératoire). • un plus faible nombre de références (4 contre plusieurs dizaines).
Le projet CLOVIS a débuté en 2010, à l’aide d’un financement InterReg. Il associe deux partenaires universitaires (l’université de Savoie pour la France et hepia, HES-SO pour la Suisse) et deux partenaires industriels (Tural pour la France et Chirmat pour la Suisse). Le but de ce projet est de proposer un nouvel implant pour le traitement des fractures dites « du col du fémur », adapté aux os ostéoporotiques. Actuellement, le traitement en urgence de ce type de fracture se fait quasi exclusivement en utilisant une vis traversant le col (dite vis céphalique) associée soit à un clou centromédulaire, soit à une plaque externe. Dans les deux cas, un grand nombre de taille et d’angle cervico-diaphysaire (angle entre la vis et l’axe du fémur) doit être disponible en stock dans chaque hôpital pour s’adapter au patient. L’idée de base du projet était de concevoir un implant modulaire, utilisable aussi bien en configuration intra qu’en configuration extramédulaire, et dont l’angle cervico-diaphysaire serait réglable, ce qui permettrait de passer de plusieurs dizaines de références à quelques-unes. Une étude numérique (à l’aide du logiciel ABAQUS) et expérimentale (os cadavérique sur banc d’essai spécifique) des deux types d’implants actuellement les plus utilisés (clou Gamma et plaque DHS) a soulevé un certain nombre de faiblesses au niveau de la tenue mécanique, faiblesses d’autant plus importantes que l’os est de mauvaise qualité. Un implant polyvalent n’ayant que très peu de chance de pouvoir faire mieux que des implants spécifiques développés depuis de nombreuses années, le projet a très vite été réorienté vers un implant à la fois intra et extramédulaire, en conservant l’idée d’un angle cervico-diaphysaire réglable. L’implant est constitué de deux pièces principales, une vis céphalique (expansible dans la dernière version) et une pièce dont une partie, rigide, pénètre dans le canal diaphysaire, et dont l’autre, elle aussi rigide, constitue une plaque externe. Ces deux parties sont reliées entre elles par une lame déformable, ce qui permet de régler leur position relative et donc l’angle cervico-diaphysaire. Cet implant a été baptisé CLOVIS. Différentes versions ont été conçues, étudiées numériquement et expérimentalement sur os synthétique puis cadavérique. Ces résultats ont confirmé que les sollicitations aussi bien de l’implant que de l’os fracturé étaient meilleures que celles obtenues avec les implants actuels. Un matériel ancillaire spécifique a été développé, et la technique opératoire validée. Elle est comparable en terme d’invasivité, de complexité et de durée d’opération à celle mise en œuvre pour les implants actuels, et offre plus de liberté au chirurgien, qui peut régler l’implant en continu (angle cervico-diaphysaire et longueur de vis céphalique), éventuellement en peropératoire. Une analyse de risque va maintenant être entreprise, pour permettre d’aborder la phase des essais in-vivo, et si elle est concluante, celle du marquage CE.
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Valorisation • Brevet Suisse (2012CH-00725), Européen (EP 2 644 142 A1) et USA (US 201 302 61 622). • 1 thèse soutenue (Rémi Billard, février 2014). • 5 conférences internationales (ICSM2012, Euromech534, Photomechanics 2013, SSOT 2013 et 2014). • 10 conférences invitées.
Equipement particulier • Un banc d’essai de compression portable de capacité 5’000 N • 2 caméras rapides (100’000 images/seconde)
Légendes 1 - Différents prototypes réalisés. 2 - Description des différentes parties de CLOVIS. 3 - Positionnement de CLOVIS dans le fémur. 4 - Outillage « ancillaire » nécessaire à l’implantation. 5 - Implantation de CLOVIS en laboratoire d’anatomie. 6 - Radio de contrôle post implantation.
Rue de la Prairie 4 CH - 1202 Genève Ra&D
Tél. +41 (0)22 546 24 00 rad.hepia@hesge.ch www.hesge.ch/hepia
Fiche 1 IOM Microscopie interférométrique Marc Jobin
Descriptif Nous avons développé un microscope interférométrique (IOM) versatile permettant de répondre à de nombreux besoins de caractérisation de surfaces. 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 nanométrique, ou de mesurer la déformation de membranes sous contraintes mécaniques. Le microscope est aussi beaucoup sollicité pour des projets impliquant des phénomènes de frottement (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.
Microscope interférométrique développé à hepia.
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 développé 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 corrugation jusqu’à plusieurs dizaines de microns et le mode en lumière monochromatique 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 interérométrique 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 nanomembrane (épaisseur 500 nm) déformée par une application en son centre d’une force de 70 um.
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Valorisation Publications : • 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.
Fiche 2 CAESAR Team sur la fusée REXUS Une équipe d’étudiants d’hepia lance une expérience de microgravité sur une fusée ESA Roberto Putzu
Descriptif Une équipe d’étudiants a été choisie pour lancer une expérience 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’expérience à travers toutes les phases d’un projet spatial : de l’acceptation au lancement.
CAESAR Team, Capillarity-based Experiment for Spatial Advanced Research.
Le projet, inscrit dans un programme de recherche d’hepia sur les écoulements 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.
Points forts Le 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 complexité et son envergure, ce projet stimule les étudiants en les motivant pour atteindre un objectif ambitieux. Par ailleurs, ce projet renforce les liens personnels au sein du groupe et contribue à la mise en valeur de leurs compétences propres afin d’atteindre un objectif scientifique commun. Scientifiquement, le projet vise à récolter des données expérimentales impossibles à obtenir en environnement gravitationnel.
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 lévitation 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 expérimentales 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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Valorisation Un 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 particulier Le programme REXUS/BEXUS met à disposition de l’équipe un moyen d’essai exceptionnel, une fusée sonde.
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.
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 3 Diagnotox Tests de toxicité et bio-instrumentation : une collaboration entre Epithelix Sàrl et hepia Philippe Passeraub
Points forts Le 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’acquisition et l’enregistrement de données et d’images, et permet un premier traitement d’images en temps réel, simultanément avec la mesure de la conductance 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 pulmonaire, 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 particulièrement sensible et efficace. Des observations de longue durée sont possibles facilitant les études sur les effets de faibles doses de produits sur le long terme.
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’entreprises. 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’instruments développée lors de ce projet démontre le potentiel des technologies modernes de miniaturisation pour répondre de manière originale et prometteuse à cette problématique.
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Valorisation Légendes 1
- Schéma de la fonction d’ensemble du système de monitorage développé. 2 - Photographie de l’intérieur de la plateforme 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 développé 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 fréquence lorsque la concentration de la molécule testée augmente, reflétant le nombre croissant de cellules mortes à plus haute dose.
Actuellement, 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 développer en proposant des prestations de services à hautes valeurs ajoutées.
Fiche 4 Micro EDM milling II Modular system for high-precision micro-EDM-milling manufacturing technology Jacques Richard
Points forts Le 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 microEDM-milling sont de petites électrodes en rotation à l’extrémité desquelles les étincelles permettent d’éroder la matière, à l’image d’une fraise de coupe, mais sans les efforts qui menacent de briser l’outil. Ainsi, le micro-EDM-milling trouvera de nombreuses applications dans les domaines de la micromécanique.
Mini-cavité.
Descriptif Le micro-EDM-milling est une nouvelle technologie d’usinage par électroérosion, 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 principaux défis à relever pour y parvenir (partenaire : +GF+ AgieCharmilles SA).
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Equipement particulier Ce 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 dimensionnellement les performances du micro-EDM-milling.
Légendes 1 - Micro-fraisage EDM, Extrait d’une vidéo, René Demellayer. 2 - Fraisage EDM, © Hervé Sthioul. 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.
Fiche 5 Hydrodynamique des particules dans le procédé d’usinage par électro-érosion en enfonçage Patrick Haas
Descriptif En 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 développements continus depuis plusieurs années. Par contre, la technique d’élimination des débris en cours d’usinage constitue un élément, qui influe très nettement sur la vitesse d’usinage.
Points forts Une 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.
Usinage d’un moule d’injection plastique par EDM enfonçage.
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 photos). 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’hydrodynamique 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, généralement 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 mouvement doit permettre le brassage des débris, puis leur évacuation par les fentes latérales. La question qui nous importe est d’optimiser cette évacuation en jouant sur les paramètres tels que la fréquence des « sauts », leurs amplitudes ainsi que d’autres facteurs physiques.
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Valorisation Ce 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 particulier hepia 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 simulation 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
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 européen Philippe Passeraub
Points forts Pour relever le défi de développer une approche de fabrication plus simple, plusieurs méthodes d’impression ont été étudiées et testées. La technique de tampographie 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 médicaux). Elle a aussi été utilisée pour imprimer à l’aide d’encre conductrice des antennes RF pour téléphones mobiles. L’alignement de multiples étapes d’impression permet d’imprimer des motifs complexes. Ainsi, cette technique a permis le développement d’un nouveau procédé 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 provenant de tissus nerveux et cardiaques ont pu être enregistrés à l’aide de tels dispositifs. Ainsi, malgré une résolution encore limitée, les MEAs imprimées 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.
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).
Descriptif Dans 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 « MicroElectrodes 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 expériences 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 pratiques 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 présence 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).
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Valorisation 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 européen.
Légendes 1 - Photographie d’un réseau de 40 bioélectrodes 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 tampographie 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.
Fiche 7 STEM-3D Multi-Organs on a Chip: The next generation of biochips to test new drugs or chemicals Luc Stoppini
Descriptif We have developed a smallvolume 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 forts Our technology will : • Accelerate the evolution of the toxicity risks and hence dramatically 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 compound screening due to the automatic perfusion and sampling platform that allow testing several biochips in parallel, and hence increasing the testing throughput.
Micro-organs are placed within micro-chambers with bio-sensors connected through a microfludic system.
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 interorgan interactions resulting from exposure to pharmacological compounds, 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 semiautomatic platform which will allow us to screen molecules on up to 12 biochips in parallel.
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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 functional 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’organisation 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’économie 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.
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