I. Description du problème¶

Dans cette première partie, nous allons mettre le projet dans son environnement contextuel d’une manière générale.

Il est nécessaire d’expliquer d’abord ce qu’est le procédé biologique de l’électroporation, car cela représente la finalité de notre projet.

Nous expliquerons ensuite les inconvénients et les limites du produit utilisé actuellement par le département de génie biologique afin
de pouvoir percevoir la différence entre la solution que nous proposons et celle utilisée actuellement.

Finalement dans cette partie, nous détaillerons les spécifications et les contraintes du cahier des charges.

1.1 Le procédé biologique de l’électroporation¶

L’électroporation est un procédé de génie biologique consistant à insérer des éléments dans les cellules afin d’en modifier
le code génétique et donc de créer des organismes génétiquement modifiés.

Le principe physique du dispositif est le suivant :

On dispose les cellules dans un milieu liquide, chargé en ions, inséré dans un flacon disposant de part et d’autres d’électrodes.
Une fois ce dispositif mis en place, on vient appliquer une haute tension (de l’ordre du kV) aux bornes des électrodes,
tension délivrée par un condensateur chargé au préalable. Le flacon se comportant comme une résistance, on obtient ainsi
une décharge de type RC :

Ainsi, on va pouvoir contrôler la tension d’entrée (U), et en fonction du condensateur et de la résistance,
contrôler le temps de décharge (τ = R.C, avec τ de l’ordre de quelques ms). Au niveau cellulaire, le fonctionnement est le suivant :

Avant la décharge :

La membrane de la cellule est intacte. Les éléments extérieurs (ici en jaune) circulent librement dans le milieu liquide.
Il y a également des ions (symboles + et – ici) qui circulent dans le milieu et à l’intérieur de la cellule.

Pendant la décharge :

La haute tension rend la membrane cellulaire poreuse. De plus, la circulation du courant électrique dans le milieu entraîne
la circulation des ions vers les électrodes, disposées à l’extérieur du flacon. Cette circulation d’ions va entraîner les éléments
extérieurs à l’intérieur de la cellule.

Après la décharge :

La membrane de la cellule se reconstitue, et on obtient ainsi une cellule avec des éléments extérieurs dans son système.
On pourra ensuite récupérer les cellules génétiquement modifiées et les utiliser pour toutes les applications d’organismes
génétiquement modifiés.

1.2 Le produit utilisé actuellement par le client¶

Le produit utilisé actuellement dans le procédé d’électroporation par le département de Génie
Biologique est l’électroporateur E.Coli Pulser fabriqué par la société Bio-Rad.

Contenant une seule capacité de 10 µF, cet appareil ne permet de réaliser qu’un seul protocole
d’électroporation, celui de l’électroporation sur des bactéries. En effet, les mélanges cellulaires
auxquels on souhaite appliquer le procédé définissent les caractéristiques électriques du montage
électronique et plus particulièrement la valeur de la résistance impliquée dans l’équation τ = R.C.
Avec un appareil contenant une seule capacité on ne peut donc pas modifier le temps de décharge,
et pour respecter le temps τ = 5 ms demandé dans le protocole, on ne peut utiliser que des mélanges
dont la résistance est proche de celle du milieu utilisé pour les bactéries.

Ce produit présente également l’inconvénient d’avoir un prix trop élevé, son prix sur le marché est
de 2500 €.

Il existe néanmoins sur le marché un appareil qui permet d’effectuer plusieurs protocoles. Il s’agit
du produit Gene Pulser Xcell, mais dont le prix dépasse largement le budget dédié à ce projet :

Pour conclure, les inconvénients des produits existants sur le marché sont principalement
leurs prix élevés et les limites que présentent certains d’entre eux.

1.3 Fonctions et contraintes du cahier des charges¶

L’analyse fonctionnelle est une démarche qui consiste à définir clairement les fonctions et les
contraintes exigées que doit respecter le produit final pour satisfaire les besoins d’un client.

La fonction principale de notre produit est d’appliquer une décharge électrique de haute tension sur
le mélange cellulaire.

Cependant, le client exige un certain nombre de fonctions et de contraintes que le produit doit
respecter.

Certaines fonctions sont exigées par la nature même du procédé biologique, tandis que d’autres
représentent des mesures de sécurité pour l’utilisateur de l’appareil.

Le tableau suivant représente le cahier des charges fonctionnel qui contient les fonctions et les
contraintes, nous les expliquerons en détail par la suite :

Analyse du cahier des charges

Les fonctions :

• Génération de la haute tension : Cette fonction représente la fonction principale du système.
  L’utilisateur doit pouvoir commander la tension à appliquer qui est comprise entre 1000 V
  et 2500 V. Il doit pouvoir également régler la tension par pas de 100 V en appuyant sur un
  bouton poussoir.

• Choix des capacités : Le système doit permettre à l’utilisateur de choisir entre trois capacités
  de valeurs respectives de 10, 25 et 50 µF, et ce, en agissant sur un commutateur. La solution
  de trois capacités est la solution idéale souhaitée par le client. Cependant, le coût du produit
  final, comme on le verra par la suite, est étroitement lié aux coûts des capacités. Notre
  système doit donc avoir au minimum une capacité et au maximum trois capacités.

• Relancer le processus : Cette fonction de contrôle doit permettre à l’utilisateur de relancer le
  processus en appuyant une seule fois sur un bouton poussoir.

• Affichage du temps de décharge : Le système doit afficher, à chaque manipulation, le temps
  de décharge concernant le protocole en cours. Il est à noter que la valeur affichée du temps
  de décharge n’est jamais précise, le cahier des charge accepte alors une tolérance de 0.5 ms.

• Affichage d’un message d’avertissement : Cette fonction assure la sécurité de l’utilisateur. En
  cas de dysfonctionnement, l’appareil doit avertir l’utilisateur en affichant un message sur
  l’écran LCD. Le message doit être clair et lisible

Les contraintes :

• Le coût : Le coût de l’appareil ne doit pas dépasser 1000 €.

• Le respect du temps de décharge : La décharge électrique doit respecter la valeur du temps
  de décharge qui est de 5ms avec une tolérance de 1 ms.

• Ne pas dépasser 3 pulses : Le système ne doit pas permettre à l’utilisateur de lancer plus de
  3 fois consécutives le processus de décharge sur une même fiole. Cette contrainte n’accepte
  aucune tolérance.

• Protection de l’utilisateur : Il faut prendre en considération, pendant la conception du
  prototype toutes les mesures de sécurité afin d’éviter tout risque d’électrocution.

1.4 Synoptique¶

Le synoptique permet de visualiser les qui relient les différentes parties du projet. Cela permet de garder une vision globale des fonctions du cahier des charges.

Synoptique du projet

• Le microcontrôleur: représente l'interface entre l'utilisateur et le système. Le microcontrôleur permet donc de régler la tension et lancer la décharge.
• Le générateur de tension: Le générateur décharge la capacité dans la fiole.
• Un système de mesure de résistance : permet de récupérer la valeur de la résistance de la fiole et la transmet au microcontrôleur.
• Un système de mesure du temps de décharge: permet de calculer le temps de décharge à partir de la valeur de la résistance mesurée.
• Les données récupérées sont donc affichées sur un écran LCD.

Chapitre suivant : II. Description de la solution technique proposée