EP2477938A1 - Microparticule magnétique et procédé de fabrication d'une telle microparticule - Google Patents

Microparticule magnétique et procédé de fabrication d'une telle microparticule

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Publication number
EP2477938A1
EP2477938A1 EP10755157A EP10755157A EP2477938A1 EP 2477938 A1 EP2477938 A1 EP 2477938A1 EP 10755157 A EP10755157 A EP 10755157A EP 10755157 A EP10755157 A EP 10755157A EP 2477938 A1 EP2477938 A1 EP 2477938A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
tail
microparticle
head
magnetic
layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP10755157A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Bernard Dieny
Hélène JOISTEN
Philippe Sabon
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Publication of EP2477938A1 publication Critical patent/EP2477938A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C1/00—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
    • B81C1/00015—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems
    • B81C1/00134—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems comprising flexible or deformable structures
    • B81C1/0019—Flexible or deformable structures not provided for in groups B81C1/00142 - B81C1/00182
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B1/00—Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor
    • A61B1/00147—Holding or positioning arrangements
    • A61B1/00156—Holding or positioning arrangements using self propulsion
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/03—Microengines and actuators
    • B81B2201/038—Microengines and actuators not provided for in B81B2201/031 - B81B2201/037
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/06—Bio-MEMS
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C2201/00—Manufacture or treatment of microstructural devices or systems
    • B81C2201/03—Processes for manufacturing substrate-free structures
    • B81C2201/038—Processes for manufacturing substrate-free structures not provided for in B81C2201/034 - B81C2201/036

Definitions

  • the invention relates to a magnetic microparticle and a process for producing such a microparticle.
  • the invention also relates to a method for the collective production of a plurality of microparticles according to the invention.
  • Microparticle means here a machined particle whose dimensions are of the micrometric order.
  • the dimensions of micrometric order are generally less than 500 ⁇ and, preferably, less than 100 ⁇ .
  • each tail being provided for this purpose with at least one magnetic element for causing the beats of the tail under the action of a non-collinear alternating external magnetic field with the trajectory, and
  • a head mechanically connected to a proximal end of the tail to limit the movement of the proximal end of the tail relative to the deflection of a distal end of the tail.
  • the solution is any medium in which the beats of the tail allow the microparticle 2 to advance along a path.
  • the solution is a liquid having a greater or lesser viscosity such as water, glycerin, a solvent, etc. It can also be a soft medium such as gelatin.
  • the solution may be a biological medium such as the spinal cord or albumin.
  • the magnetic force causing the movement of these microparticles can guide the microparticles during their movement, to concentrate them in certain places, deform or magnetically excite them to dissipate energy and s' hot.
  • microparticles are described in the following article D1: Remi Dreyfus, Jean Baudry, Marcus R. Roper, Marc Fermigier, Howard A. Stone and Jérians Bibette, "Microscopic artificial swimmers", Nature, Volume 437 of October 6
  • the tail is magnetic that is to say that it carries at least one magnetic element displaced by the alternating magnetic field to cause the beats of the tail.
  • the tail is made by assembling superparamagnetic microbeads. The cross section of this tail is necessarily circular. According to D1, an object of interest such as a red blood cell is added to the tail.
  • the propulsion mode of the particle is obtained by rotating the tail on itself in the manner of a helix or a screwdriver.
  • the magnetic force allowing this rotation is applied only on the head, the tail being non-magnetic.
  • the head rotates under the effect of a rotating field causing the rotation of the tail which propels the assembly.
  • the invention aims to provide a magnetic microparticle easy to manufacture, capable of presenting a wide variety of shapes and particularly suitable for biomedical applications.
  • the invention provides a microparticle comprising:
  • At least one oblong flexible tail capable of propelling said microparticle in a solution along a trajectory by means of beats transverse to the trajectory, said tail being provided for this purpose with at least one magnetic element so that said magnetic element causes beats of said tail under the action of a non-collinear alternating external magnetic field with the trajectory,
  • a head mechanically connected to a proximal end of the tail, said microparticle being characterized in that it comprises at least one layer of material formed integrally and comprising said tail and said head, the dimensions and / or the shape said head being selected such that the beats of said proximal end of said tail are limited relative to the beats of the distal end of the tail and so that said head does not perform a complete revolution about a parallel axis to the path under the effect of said external alternating magnetic field.
  • the magnetization of this or these magnetic layers is oriented spontaneously according to the largest dimension of the object to minimize shape anisotropy energy. More precisely, the shape anisotropy favors an orientation of the magnetization of the tail along the length of the tail. This makes it possible to exert a mechanical torque on the tail using an external magnetic field applied transversely to the tail.
  • the head because of its round, square shape or other less oblong form, does not produce form anisotropy, and very little when its shape differs a little from the circle; therefore its magnetization tends to align with the alternating magnetic field by following it, and thus undergoes almost no magnetic torque, so does not move under the action of the applied field. Only the tail propels the whole.
  • the microparticle moves along the trajectory through transverse beats of the tail.
  • the transverse beats correspond to movements of the end of the tail that propel the microparticle along the path in one direction or the other while maintaining the head stable.
  • it is the magnetic element of the tail which contributes to the displacement of the microparticle and not the head which may or may not be magnetic. It is considered that the head is stable when it does not perform a complete revolution on itself around an axis parallel to the trajectory.
  • the tail beats are ripples so the tail works like a flagellum. The propulsion mode obtained is therefore totally different from that which would be obtained by rotating the tail in the manner of a helix.
  • microparticle according to the invention is propelled by means of an alternating magnetic field on an axis (and not necessarily of a rotating field).
  • the material of the layer providing continuity between the head and the tail may or may not be magnetic; if the layer is not magnetic, it is of course necessary to deposit at least one magnetic portion on the tail so as to form the magnetic element.
  • microparticle according to the invention can be formed:
  • either of a single magnetic layer which forms the head and the tail (the shape of which in plan view is freely drawn, for example by photolithography or nanoimpression);
  • non-magnetic layer always in one piece, for example copper, with magnetic portions deposited on at least a portion of the tail.
  • the mechanical force that produces the beat or the ripple of the tail is applied by the alternating external field directly on the magnetic parts of the tail.
  • the tail is provided with the magnetic element allows a more precise control of the beats of the tail and, above all, a greater variety of beats than in the case where the magnetic elements are only provided in the head of the microparticle.
  • microparticle according to the invention may also have one or more of the following characteristics, considered individually or in any technically possible combination:
  • the dimensions and / or the shape of said tail are chosen so that the direction of the magnetic moment of the tail is maintained in the longitudinal axis of the tail;
  • said layer formed in one piece is a layer of magnetic material
  • the magnetic material is a soft magnetic material, the shape of said head being chosen without form anisotropy, for example a substantially round shape, so that the magnetic moment of said head spontaneously aligns in the direction of the alternating magnetic field; - The transverse dimensions of said head are chosen sufficiently large so that the magnetization direction of said soft magnetic material is aligned with the direction of the alternating magnetic field;
  • said magnetic material is a hard magnetization magnetic material parallel to the length of said tail;
  • said magnetic material is a magnetic material of spontaneous magnetization oriented out of the plane of said tail;
  • said material is a non-magnetic material, a magnetic portion being at least deposited on said tail;
  • the length of said tail is at least five times, preferentially 10 or 100 times, greater than one of the transverse dimensions of said tail;
  • a biocompatible material is deposited on said layer
  • the microparticle according to the invention comprises an element of interest grafted onto said head;
  • the microparticle comprises a first tail mechanically connected to the head and a second tail which is symmetrical to the first tail with respect to a plane perpendicular to the plane of the layer and passing through the center of gravity of the head;
  • the tail systematically forms a bend between its proximal and distal ends in the absence of the alternating magnetic field
  • the head and tail are planar and the plane of the tail layer is oblique to the plane of the head.
  • a tail comprising a layer made of a single block of material is easier to produce
  • the realization of the head and the tail in the same layer of soft magnetic material and the choice of the dimensions of the head and the tail to allow or not an alignment of the magnetic moment on the direction of the alternating magnetic field allows to exercise a different magnetic torque on the tail and on the head while the tail and the head are made from the same magnetic material
  • a bent tail makes it possible to obtain beats of the tail by folding and unfolding this elbow, a tail whose layers are oblique with respect to those of the head makes it possible to increase the surface of the tail that is supported on the solution to propel the microparticle, and
  • a length of the tail at least five times greater than one of its transverse dimensions provides a tail whose stiffness is low enough to beat.
  • the realization of the tail and the head of the microparticle in one piece by deposition and / or structuring (for example by etching, typically a photo-lithogravure, or by nanoimpression) of a layer makes it possible to obtain easily a great diversity of forms for the magnetic tail. Therefore, the hydrodynamics of the tail of the microparticle is more easily optimized. In the end, this allows, for example, to obtain microparticles that move faster, under operating conditions identical to those described in Article D1.
  • This manufacturing process also allows to have a wide variety of choices for the magnetic material used (soft or hard magnetic material, with magnetization parallel or perpendicular to the plane of the layer, ...) to obtain the desired movement of tail.
  • the method according to the invention is a method of collective fabrication of a plurality of microparticles according to the invention, characterized in that it comprises the following steps:
  • the collective manufacturing process comprises the following steps:
  • the collective manufacturing method comprises the following steps:
  • FIG. 1 is a schematic and perspective illustration of a microparticle according to the invention
  • FIG. 2 is a flowchart of a process for manufacturing the microparticle of FIG. 1,
  • FIGS. 3 to 6 are diagrammatic illustrations of different steps of the method of FIG.
  • FIGS. 7 and 8 are schematic illustrations of the operation of the microparticle of FIG. 1,
  • FIGS. 9 to 11 are diagrammatic and perspective illustrations of three other possible embodiments of a microparticle according to the invention.
  • FIG. 12 is a diagrammatic illustration in plan view of another embodiment of the microparticle of FIG. 1, and
  • FIGS. 13 and 14 are diagrammatic illustrations in side view of other embodiments of the microparticle of FIG.
  • FIG. 1 represents a microparticle 2 able to move along a trajectory 3 in a solution when an alternating magnetic field B a is applied in a non-collinear direction to the trajectory 3.
  • the viscous liquid is water or glycerine or a solvent.
  • the trajectory 3 is a rectilinear trajectory. This trajectory is horizontal and extends parallel to a direction X.
  • the field B a is substantially parallel to a horizontal direction Y perpendicular to the direction X.
  • the microparticle 2 is equipped with a head 4 and a tail 6 made in one piece in a single layer of soft magnetic material.
  • soft magnetic material is meant a magnetic material which, when no particular form factor is applied to it, has a coercive field of less than 0.005 Tesla.
  • a hard magnetic material is a material having a coercive field greater than 0.01 Tesla.
  • the tail 6 is oblong and flexible. It has a proximal end 8 mechanically attached to the head 4 and a free distal end.
  • the microparticle 2 moves along the trajectory 3 through transverse beats of the tail 6.
  • the transverse beats correspond to movements of the end 1 0 which propel the microparticle 2 along the trajectory 3 in a sense or in the other while keeping the head steady. It is considered that the head is stable when it does not perform a complete revolution on itself around an axis parallel to the trajectory 3.
  • the beats of the tail 6 are ripples so that the tail functions as a flagellum.
  • the beats correspond to a displacement of the end 1 0 in a plane parallel to the trajectory 3.
  • the transverse beats are made in the plane X, Y.
  • the beats of the tail 6 mimic those of a flagellum to propel the microparticle 2 into the solution.
  • the propulsion mode obtained is therefore totally different from that which would be obtained by rotating on itself the tail 6 in the manner of a helix.
  • the microparticle 2 is shown at rest, that is to say in the absence of the B a field.
  • the tail 6 extends along a longitudinal axis confused here with the trajectory 3.
  • the dimensions of the tail 6 and the magnetic material are chosen to allow flexing of the tail 6 under the effect of the B a field.
  • the stiffness of the tail 6 is weak enough that it curves in the XY plane as well in one direction as in the other under the action of the field B a .
  • the deformations of the shank 6 caused by the field B a are elastic deformations.
  • the form factor of the tail 6 is large, that is to say it is greater than five and, preferably, greater than 1 0 or 100.
  • form factor is meant the ratio the length L of the shank 6 measured between the ends 8 and 10 on its mean dimension in a direction parallel to the field B a .
  • the tail 6 is a parallelepiped.
  • the form factor is the ratio of the length L to the width I of the shank 6 in the Y direction.
  • the length L and the width I are equal, respectively, to 50 ⁇ and 0.35 ⁇ .
  • the thickness e of the layer of magnetic material is here taken to be equal to 0.1 ⁇ .
  • the selected transverse dimensions of the tail 6 are small enough to maintain the direction of easier magnetization of the magnetic material parallel to the axis 3 even when the B a field is applied.
  • the head 4 is secured directly to the end 8 to limit the travel of the end 8 with respect to the displacement of the end 1 B 0 when the field is applied. This asymmetry between the displacements of the ends 8 and 1 0 2 allows the microparticle to advance along the path 3 when the field B is applied.
  • the transverse dimensions of the head 4 are larger than those of the tail 6.
  • This conformation of the head 4 increases the inertia of the end 8 by increasing the viscous friction between the head 4 and the solution.
  • the continuous magnetic field applied to the head 4 also contributes to increasing the inertia of the end 8 and to stabilize the head 4. This limits the amplitude of the deflection of the end 8 relative to the amplitude of the deflection of the head. end 1 0 in the presence of the same field B a .
  • the transverse dimensions of the head 4 are chosen large enough to allow the direction of easier magnetization of the soft magnetic material to align with the direction of the B a field.
  • the head 4 is a horizontal disc of thickness e and diameter 5 ⁇ .
  • the flat shape of the head 4 improves the hydrodynamics of the microparticle 2.
  • an array of vertical studs 22 is formed on a substrate 24 ( Figure 3).
  • These pads 22 are made of a sacrificial material that can be removed using a solvent or another type of etching without destroying the microparticles 2.
  • the face at the top of each pad 22 is identical to the horizontal section of the microparticle 2. However, to simplify Figures 3, 5 and 6, this horizontal section is shown as being rectangular.
  • the array of pads 22 is made by optical or electronic lithography. It can also be achieved by nanoimpression.
  • the sacrificial material used to make the pads 22 is a resin such as a polymer or any other material that is soluble in a solvent that does not destroy the microparticles 2.
  • the pads 22 made, during a step 26 is deposited a layer of soft magnetic material on the vertices of each of the pads 22.
  • the layer of magnetic material does not deposit on the vertical faces of the studs 22.
  • the layer of soft magnetic material is formed by a stack of three sub-layers respectively of NiFe alloy, ruthenium (Ru), and NiFe alloy. These sub-layers are shown in FIG. 4. The result obtained at the end of step 26 is represented in FIG.
  • a step 28 it proceeds to the release of microparticles 2 (or "lift off” in English) of the substrate 24.
  • a solvent is used to release the microparticles 2. Therefore, the microparticles 2 which were integral with the tops of the pads 22 are detached and are free to move in the solvent used.
  • step 28 The result obtained at the end of step 28 is represented in FIG. 6.
  • a microparticle 2 thus manufactured moves in a viscous solution such as the solvent used in step 28 or any other viscous solution.
  • the direction of the magnetic field B a is contained in the plane XY and forms a non-zero angle Malawi with the direction Y.
  • the magnetic moment MQ in the shank 6 remains aligned on the longitudinal axis 3.
  • the angle ⁇ is chosen so as to systematically orient the direction of the moment. Magnetic MQ from the tail to the head. A large magnetic torque is therefore exerted on the tail 6 because the angular difference between the directions of the moment M Q and B a field is important.
  • the magnetic moment M t of the head 4 is aligned with the direction of the field B a .
  • the angular difference between the directions of the magnetic moment M t and the field B a is therefore small. Therefore, the magnetic torque exerted on the head 4 is at least two times lower than that exerted on the tail 6.
  • the magnetic torque on the head 4 is zero or almost zero.
  • the particular geometry of the microparticle 2 makes it possible to exert a greater magnetic torque on the shank 6 than on the head 4 while the quantity of magnetic material in the head 4 is greater than or even much greater than the amount of magnetic material in the tail 6.
  • the tail 6 curves in the plane X, Y to reach a position such as that shown in dashed lines in Figure 7.
  • the head 4 is almost not rotating at the same time.
  • the field B a is symmetrical with respect to the direction X of the field B a at time t i.
  • the magnetic moment M Q of the tail 6 remains aligned on the longitudinal axis of this tail while the magnetic moment M t of the head 4 rotates to align with the direction of the field B a .
  • the tail 6 curves in the X, Y plane to reach a position such as that represented in dotted line in FIG.
  • FIG. 9 represents a microparticle 40 equipped with a tail 42 and a head 44.
  • the tail 42 is for example identical to the tail 6.
  • the head 44 has a cross section identical to that of the tail 42.
  • the head 44 is made of a material, for example non-magnetic, denser than the magnetic material used for the tail 42. The inertia to move the proximal end and therefore greater than that to move the distal end .
  • this head 44 limits the deflection of the proximal end of the shank 42 relative to the deflection of its distal end without having a cross section different from that of the shank 42.
  • FIG. 10 represents a microparticle 50 equipped with a tail 52 and a pointed head 54.
  • the direction of the magnetic moment M of the tail 52 is parallel to the direction Z, that is to say perpendicular to the plane of the layer of magnetic material used to make the tail 52.
  • the magnetic material used to make the tail 52 is a magnetic material having anisotropy perpendicular to the plane of the layer.
  • the magnetic material used is for example a multilayer composed of several layers of cobalt (Co) and platinum (Pt).
  • the head 54 is for example made of a soft magnetic material or a non-magnetic or non-magnetic material.
  • This microparticle 50 moves in a solution when it is subjected, alternately, to two magnetic fields B z and B z2 .
  • the fields B z and B z2 are inclined with respect to the direction of the moment M.
  • the directions of the fields Bn and B z2 are contained in a plane parallel to the X, Z and inclined plane, respectively of + 45 ° and - 45 ° with respect to the direction X.
  • the flapping of the tail 52 is then carried out in the vertical plane X, Z and not in the horizontal plane X, Y as described with reference to FIGS. 7 and 8. Under these conditions, the support surface of the tail 52 on the solution is increased which improves the efficiency of the displacement of the microparticle 50.
  • FIG. 11 represents a microparticle 60 equipped with a tail 62 and a head 64.
  • the head 64 is a parallelepiped whose largest faces are parallel to the X, Y plane.
  • the tail 62 is for example identical to the tail 6 except that the plane of the layer which forms it is inclined with respect to the plane X, Y. This configuration of the tail 62 makes it possible to increase the support surface of the tail on the solution and therefore increase the propulsive force. In the end, this promotes the movement of microparticle 60.
  • FIG. 12 represents a microparticle 70 identical to the microparticle 2 except that the tail 6 is replaced by two tails 72 and 74.
  • the tails 72 and 74 are symmetrical to one another by relative to a vertical plane passing through the center of gravity of the head 4. Here this vertical plane contains the axis 3.
  • each tail 72, 74 is curved so as to form a bend, respectively 76 and 78 in the plane X, Y.
  • These elbows are located between the proximal and distal ends of the tail. For example, bends 76 and 78 are formed in the middle of the length of tails 72 and 74.
  • the position of the tails 72 and 74 shown in fine lines corresponds to the position of these tails in the absence of external alternating magnetic field.
  • an alternating magnetic field B is applied parallel to the Y direction, the elbows 76 and 78 bend so that the tails 72 and 74 reach the positions shown in dotted lines in Figure 12.
  • the magnetic field B y disappears again, the tails 72 and 74 find, for example by elastic deformation, their positions represented in solid lines.
  • the tails 72 and 74 perform a movement close to a breaststroke to move the microparticle 70 in the presence of the B y field.
  • FIG. 13 shows a side view of a microparticle 80 equipped with a head 82 connected to a shank 84.
  • the head 82 and the shank 84 are made from a layer 86 of non-magnetic material 86 of a alone.
  • Magnetic pads 88 are etched on the layer 86 to form the magnetic elements of the tail 84 which will allow it to beat in the presence of an external alternating magnetic field.
  • a pad 90 made of magnetic material or not can be produced on the layer 86 at the level of the head 82.
  • the pads 88 and 90 are for example made by etching a single layer of magnetic material during the manufacture of the microparticle 80.
  • FIG. 13 shows that the magnetic element of which the tail of the microparticle is provided is not necessarily a layer of magnetic material which extends continuously from the proximal end to the distal end.
  • the tail 84 may comprise several disjoint magnetic elements.
  • the tail comprises a single magnetic element such as a single stud 88.
  • Figure 14 shows a side view of a microparticle 90 equipped with a head 92 and a tail 94.
  • the head 92 is made from a layer 96 of magnetic material or not.
  • the proximal end of the tail 94 and a good part of the tail 94 is also made in the layer 96.
  • the tail 94 also comprises a layer 98, for example magnetic material, which extends beyond the layer 96 parallel to the X direction to the distal end of the tail 94.
  • the layers 96 and 98 overlap one above the other in an overlap area so as to mechanically connect the proximal and distal ends of the tail 94.
  • the head of the microparticle can be square, have the shape of a disk, a parallelepiped, have an ellipsoidal horizontal section, conical or other.
  • the shape of the head is optimized to improve the hydrodynamics of the microparticle.
  • the beats of the tail are not necessarily limited to movements of the distal end in a plane.
  • the deformations of the tail can cause displacements of the distal end out of a plane.
  • the magnetic material used in the various previous embodiments may be soft or hard.
  • the particle is formed: either of a single magnetic layer which forms the head and the tail (whose shape in plan view is freely drawn, like any pattern obtained by photolithography or nanoimpression);
  • non-magnetic layer always in one piece (for example copper) with magnetic portions deposited above, especially at the tail.
  • the head when the head is made of a magnetic material, it forms a single block of material with the tail.
  • the cross section of the tail is not necessarily constant. For example, it may have bulges or widen or, on the contrary, tapering as one approaches the distal end.
  • the microparticle may have two or more tails capable of beating to propel it.
  • the tail of the microparticle is not necessarily rectilinear at rest.
  • the proximal end of the tail is connected to the front of the head and then bends to extend towards the rear of the head.
  • outer layers of microparticle 2 are made of biocompatible material such as gold or silica.
  • the various layers that make up the microparticle may be deposited on a sacrificial layer itself deposited on a substrate. Then, the stack of layers is etched to form the head and tail of the microparticle and then the sacrificial layer is removed to release the microparticle from the substrate.
  • etching steps can be used to conform differently to several of the layers of the stack of layers forming the microparticle. For example, several etching steps are required to make the microparticle of the embodiments of Figs. 13 and 14.
  • a continuous magnetic field it is also not necessary for a continuous magnetic field to be used to align the particles with the direction of movement.
  • the alternating magnetic field is not parallel to the magnetic moment of the magnetic elements of the tail.
  • the microparticle is likely to move.
  • the magnetic moment of Magnetic elements of the tail is perpendicular to the alternating magnetic field so as to maximize the efficiency of the displacement.
  • the alternating magnetic field may optionally be a rotating magnetic field, that is to say whose direction rotates about an axis such as an axis collinear to the trajectory 3; but this rotating magnetic field is absolutely not essential to the implementation of the invention.
  • propulsion actions may be superimposed on those of the beats of the tail.
  • a magnetic field gradient may also be used in addition, or the microparticle may be driven by fluid flow.
  • the alternating magnetic field is not necessarily sinusoidal or periodic.
  • the rate of variation of the field may be different when the field tends to move the tail from its rest position and when it tends to bring it back to its rest position.
  • the field can be applied by successive pulses. During a first pulse, the magnetic field is only applied in one direction and then canceled. After a time interval longer than that of the pulse, a second magnetic field pulse is applied. During the second pulse, the magnetic field is for example applied in the opposite direction.
  • These first and second pulses are repeated alternately to advance the microparticle in a jerk. For example, during the time interval when there is no magnetic field pulse, the tail is released to return to its rest position. In this embodiment, the tail undergoes only elastic deformations.

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Abstract

La présente invention a pour objet une microparticule (2) comportant au moins une queue flexible (6) oblongue apte à propulser ladite microparticule (2) dans une solution le long d'une trajectoire grâce à des battements transversaux à la trajectoire, ladite queue étant pourvue à cet effet d'au moins un élément magnétique de sorte que ledit élément magnétique provoque des battements de ladite queue (6) sous l'action d'un champ magnétique extérieur alternatif non colinéaire avec la trajectoire et une tête (4) mécaniquement raccordée à une extrémité proximale de la queue. La microparticule (2) comporte au moins une couche de matériau formée d'un seul tenant et comprenant ladite queue (6) et ladite tête (4), les dimensions et/ou la forme de ladite tête (4) étant choisie de sorte que les battements de ladite extrémité proximale de ladite queue (6) sont limités par rapport aux battements de l'extrémité distale de la queue (6) et de sorte que ladite tête (4) n'effectue pas de révolution complète autour d'un axe parallèle à la trajectoire sous l'effet du champ magnétique alternatif extérieur.

Description

MICROPARTICULE MAGNETIQUE ET PROCEDE DE FABRICATION D'UNE
TELLE MICROPARTICULE
[ooi ] L'invention concerne une microparticule magnétique et un procédé de fabrication d'une telle microparticule. L'invention concerne également un procédé de fabrication collective d'une pluralité de microparticules selon l'invention.
[002] Par microparticule on désigne ici une particule usinée dont les dimensions sont de l'ordre micrométrique. Les dimensions d'ordre micrométrique sont généralement inférieures à 500 μιτι et, de préférence, inférieures à 100 μιτι.
[003] Il existe des microparticules équipées :
d'au moins une queue flexible oblongue apte à propulser la microparticule dans une solution le long d'une trajectoire grâce à des battements transversaux à la trajectoire, chaque queue étant pourvue à cet effet d'au moins un élément magnétique permettant de provoquer les battements de la queue sous l'action d'un champ magnétique extérieur alternatif non colinéaire avec la trajectoire, et
d'une tête mécaniquement raccordée à une extrémité proximale de la queue pour limiter le débattement de l'extrémité proximale de la queue par rapport au débattement d'une extrémité distale de la queue.
[004] La solution est tout milieu dans lequel les battements de la queue permettent à la microparticule 2 d'avancer le long d'une trajectoire. Par exemple, la solution est un liquide présentant une viscosité plus ou moins importante tel que de l'eau, de la glycérine, un solvant, ...etc. Il peut également s'agir d'un milieu mou tel que de la gélatine. La solution peut être un milieu biologique tel que la moelle épinière ou de l'albumine.
[005] La force magnétique entraînant le mouvement de ces microparticules peut permettre de guider les microparticules lors de leur déplacement, de les concentrer à certains endroits, de les déformer ou de les exciter magnétiquement pour qu'elles dissipent de l'énergie et s'échauffent.
[006] En utilisant les microparticules magnétiques seules ou en greffant à leur surface différents types de molécules permettant la reconnaissance de certaines espèces moléculaires ou cellulaires et/ou une action sur ces espèces, de nombreuses applications sont possibles. Parmi celles-ci, on peut citer la délivrance ciblée de molécules de traitement (« drug delivery » en anglais), la séparation de molécules ou de cellules en suspension (dite MACS ou « Magnectic Cell Sorting » en anglais), les traitements de cancer par hyperthermie, l'ingénierie de tissus cellulaires ou l'utilisation comme agents de contraste en IRM (Imagerie par Résonance Magnétique).
[007] Par exemple, de telles microparticules sont décrites dans l'article D1 suivant : Remi Dreyfus, Jean Baudry, Marcus R. Roper, Marc Fermigier, Howard A. Stone et Jérôme Bibette, « Microscopic artificial swimmers », Nature, Volume 437 du 6 octobre
2005, page 862.
Dans l'article D1 , la queue est magnétique c'est-à-dire qu'elle porte au moins un élément magnétique déplacé par le champ magnétique alternatif pour provoquer les battements de la queue. Dans l'article D1 , la queue est réalisée par l'assemblage de microbilles superparamagnétiques. La section transversale de cette queue est donc nécessairement circulaire. Selon D1 , on ajoute à la queue un objet d'intérêt tel qu'un globule rouge.
[008] Par ailleurs, certains paramètres, comme la vitesse de déplacement, de la microparticule dépendent fortement de la conformation de sa queue. L'utilisation d'un assemblage de microbilles superparamagnétiques limite considérablement la variété de forme de la microparticule.
[009] D'autres particules ayant une queue non magnétique ont été décrites par exemple dans les articles suivants :
- S. Sudo, S. Segawa et T. Honda, « Magnetic swimming mecanism in a viscous liquid », Journal of Intelligent material Systems and structures, volume 1 7- août/septembre 2006, page 729, Edition SAGE publications;
- B.J. Nelson, « Towards nanorobots », Solid-state sensors, actuators and Microsystems conférence, 2009, Transducers 2009, International I EEE,
Piscataway, NJ, USA, 21 juin 2009 (2009-06-21 ), page 21 55-21 59, XP031 545544 ISBN.
[ooi o] Dans ce dernier cas, le mode de propulsion de la particule est obtenu en faisant tourner sur elle-même la queue à la manière d'une hélice ou d'une visseuse. La force magnétique permettant cette mise en rotation s'applique uniquement sur la tête, la queue étant non magnétique. La tête tourne sous l'effet d'un champ tournant entraînant la rotation de la queue qui propulse l'ensemble.
[ooi i] Une telle propulsion par rotation complète de la tête présente de nombreux désavantages pour les applications biomédicales visées plus haut, la particule entièrement en rotation sur elle-même entraînant aussi l'objet d'intérêt biologique dans sa rotation.
[0012] Dans ce contexte, l'invention vise à proposer une microparticule magnétique facile à fabriquer, susceptible de présenter une grande variété de formes et particulièrement adaptée aux applications biomédicales.
[0013] A cette fin, l'invention propose une microparticule comportant :
- au moins une queue flexible oblongue apte à propulser ladite microparticule dans une solution le long d'une trajectoire grâce à des battements transversaux à la trajectoire, ladite queue étant pourvue à cet effet d'au moins un élément magnétique de sorte que ledit élément magnétique provoque des battements de ladite queue sous l'action d'un champ magnétique extérieur alternatif non colinéaire avec la trajectoire,
- une tête mécaniquement raccordée à une extrémité proximale de la queue, ladite microparticule étant caractérisée en ce qu'elle comporte au moins une couche de matériau formée d'un seul tenant et comprenant ladite queue et ladite tête, les dimensions et/ou la forme de ladite tête étant choisie de sorte que les battements de ladite extrémité proximale de ladite queue sont limités par rapport aux battements de l'extrémité distale de la queue et de sorte que ladite tête n'effectue pas de révolution complète autour d'un axe parallèle à la trajectoire sous l'effet dudit champ magnétique alternatif extérieur.
[0014] Il convient de souligner qu'un seul champ alternatif dans un même plan non colinéaire à la position de la queue suffit à déplacer la microparticule selon l'invention, à la différence d'autres micro ou nanoparticules qui requièrent un champ tournant ou la superposition de deux champs planaires orthogonaux de manière à reconstituer un champ tournant. Cela laisse la possibilité pour l'invention d'utiliser à d'autres fins un éventuel autre champ magnétique planaire orthogonal à celui qui suffit à assurer la propulsion.
[0015] Lorsque la couche magnétique (formant par exemple la couche d'un seul tenant) ou les couche magnétiques déposées sont en matériau doux, l'aimantation de cette ou ces couches magnétiques s'oriente spontanément selon la plus grande dimension de l'objet pour minimiser l'énergie d'anisotropie de forme. Plus précisément, l'anisotropie de forme favorise une orientation de l'aimantation de la queue selon la longueur de la queue. Ceci permet d'exercer un couple mécanique sur la queue à l'aide d'un champ magnétique extérieur appliqué transversalement à la queue. En revanche la tête, de part sa forme ronde, carrée ou autre forme moins oblongue, ne produit pas d'anisotropie de forme, et très peu lorsque sa forme diffère un peu du cercle ; donc son aimantation a tendance à s'aligner sur le champ magnétique alternatif en le suivant, et elle ne subit ainsi presque aucun couple magnétique, donc ne bouge pas sous l'action du champ appliqué. Seule la queue propulse donc l'ensemble.
[0016] Grâce à l'invention, la microparticule se déplace le long de la trajectoire grâce à des battements transversaux de la queue. Les battements transversaux correspondent à des déplacements de l'extrémité de la queue qui propulsent la microparticule le long de la trajectoire dans un sens ou dans l'autre tout en maintenant la tête stable. Selon l'invention, c'est l'élément magnétique de la queue qui contribue au déplacement de la microparticule et non la tête qui peut être ou non magnétique. On considère que la tête est stable lorsqu'elle n'effectue pas de révolution complète sur elle même autour d'un axe parallèle à la trajectoire. Par exemple, les battements de la queue sont des ondulations de sorte que la queue fonctionne comme un flagelle. Le mode de propulsion obtenu est donc totalement différent de celui qui serait obtenu en faisant tourner sur elle-même la queue à la manière d'une hélice.
[0017] La microparticule selon l'invention est propulsée à l'aide d'un champ magnétique alternatif sur un axe (et non nécessairement d'un champ tournant).
[0018] Le fait d'utiliser une couche formant d'un seul tenant la queue et la tête permet de réaliser des formes différentes de particules, en particulier en utilisant des techniques de photolithographie ou de nanoimpression. Cette couche d'un seul tenant assure un attachement mécanique aisé de la queue avec la tête.
[0019] On notera que le matériau de la couche assurant la continuité entre la tête et la queue peut être ou non magnétique ; si la couche n'est pas magnétique, il convient bien entendu de déposer au moins une portion magnétique sur la queue de façon à former l'élément magnétique.
[0020] Ainsi, la microparticule selon l'invention peut être formée :
- soit d'une seule couche magnétique qui forme la tête et la queue (dont la forme en vue de dessus est librement dessinée, par exemple par photolithographie ou nanoimpression) ;
- soit d'une couche non magnétique toujours d'un seul tenant, par exemple de cuivre, avec des portions magnétiques déposées sur au moins une partie de la queue.
[0021 ] La force mécanique qui produit le battement ou l'ondulation de la queue est appliquée par le champ extérieur alternatif directement sur les parties magnétiques de la queue.
[0022] On notera que le fait que la queue soit munie de l'élément magnétique permet un contrôle plus précis des battements de la queue et, surtout, une plus grande variété de battements que dans le cas où les éléments magnétiques sont uniquement prévus dans la tête de la microparticule.
[0023] La microparticule selon l'invention peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- les dimensions et/ou la forme de ladite queue sont choisies de sorte que la direction du moment magnétique de la queue est maintenue dans l'axe longitudinal de la queue ;
- ladite couche formée d'un seul tenant est une couche en matériau magnétique ;
- le matériau magnétique est un matériau magnétique doux, la forme de ladite tête étant choisie sans anisotropie de forme, par exemple une forme sensiblement ronde, de sorte que le moment magnétique de ladite tête s'aligne spontanément suivant la direction du champ magnétique alternatif ; - les dimensions transversales de ladite tête sont choisies suffisamment grandes de sorte que la direction d'aimantation dudit matériau magnétique doux s'aligne sur la direction du champ magnétique alternatif ;
- ledit matériau magnétique est un matériau magnétique dur d'aimantation parallèle à la longueur de ladite queue ;
- ledit matériau magnétique est un matériau magnétique d'aimantation spontanée orientée hors du plan de ladite queue ;
- ledit matériau est un matériau non magnétique, une portion magnétique étant au moins déposée sur ladite queue ;
- la longueur de ladite queue est au moins cinq fois, préférentiellement 10 ou 100 fois, supérieure à l'une des dimensions transversales de ladite queue ;
- un matériau biocompatible est déposé sur ladite couche ;
- la microparticule selon l'invention comporte un élément d'intérêt greffé sur ladite tête ;
- la microparticule comprend une première queue mécaniquement raccordée à la tête et une seconde queue qui est le symétrique de la première queue par rapport à un plan perpendiculaire au plan de la couche et passant par le centre de gravité de la tête ;
- la queue forme systématiquement un coude entre ses extrémités proximale et distale en absence du champ magnétique alternatif ;
- la tête et la queue sont planaires et le plan de la couche de la queue est oblique par rapport au plan de la tête.
[0024] Les modes de réalisation de la microparticule présente en outre les avantages suivants :
- une queue comprenant une couche en un seul bloc de matière est plus facile à réaliser,
- lorsque la couche utilisée pour former la queue est en matériau magnétique cela permet de réaliser en même temps la queue et l'élément magnétique,
- la réalisation de la tête et de la queue dans la même couche en matériau magnétique doux et le choix des dimensions de la tête et de la queue pour permettre ou non un alignement du moment magnétique sur la direction du champ magnétique alternatif permet d'exercer un couple magnétique différent sur la queue et sur la tête alors que la queue et la tête sont réalisées à partir du même matériau magnétique,
- l'utilisation d'une première et d'une seconde queues symétriques l'une de l'autre améliore l'efficacité du déplacement de la microparticule le long d'une trajectoire rectiligne,
- l'utilisation d'une queue coudée permet d'obtenir des battements de la queue en pliant et dépliant ce coude, - une queue dont les couches sont obliques par rapport à celles de la tête permet d'accroître la surface de la queue s'appuyant sur la solution pour propulser la microparticule, et
- une longueur de la queue au moins cinq fois supérieure à l'une de ses dimensions transversales permet d'obtenir une queue dont la raideur est suffisamment faible pour battre.
[0025] La présente invention a également pour objet un procédé de fabrication d'une microparticule selon l'invention caractérisé en ce qu'il comprend
- le dépôt et/ou la structuration d'au moins une couche déposée sur un substrat pour former la queue et la tête d'un seul tenant ;
- la libération de la queue et de la tête du substrat.
[0026] La réalisation de la queue et de la tête de la microparticule d'un seul tenant par dépôt et/ou structuration (par exemple par gravure, typiquement une photo- lithogravure, ou par nanoimpression) d'une couche permet d'obtenir facilement une grande diversité de formes pour la queue magnétique. Par conséquent, l'hydrodynamisme de la queue de la microparticule est plus facilement optimisé. En fin de compte, cela permet, par exemple, d'obtenir des microparticules qui se déplacent plus rapidement, dans des conditions de fonctionnement identiques à celles décrites dans l'article D1 .
[0027] Ce procédé de fabrication permet également d'avoir une grande variété de choix pour le matériau magnétique utilisé (matériau magnétique doux ou dur, avec aimantation parallèle ou perpendiculaire au plan de la couche, ...) pour obtenir le mouvement désiré de la queue.
[0028] Selon un mode de réalisation préférentiel, le procédé selon l'invention est un procédé de fabrication collective d'une pluralité de microparticules selon l'invention, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes :
- réalisation sur un substrat d'un réseau de plots, lesdits plots étant réalisés dans un matériau sacrificiel et le sommet de chaque plot présentant la forme d'une microparticule, ladite couche de matériau formée d'un seul tenant et comprenant ladite queue et ladite tête ;
- élimination dudit premier matériau sacrificiel de sorte qu'on libère lesdites particules.
[0029] Selon un premier mode de réalisation, le procédé de fabrication collective comporte les étapes suivantes :
- dépôt sur un substrat d'une couche dudit matériau sacrificiel ;
- structuration de la couche de matériau sacrificiel par formation desdits plots dont le sommet présente la forme des microparticules que l'on cherche à fabriquer ; - dépôt dudit matériau de fabrication desdites microparticules, ledit matériau de fabrication couvrant les sommets desdits plots ;
- retrait dudit matériau sacrificiel de sorte qu'on libère les particules formées par ledit matériau de fabrication.
[0030] Selon un second mode de réalisation, le procédé de fabrication collective comporte les étapes suivantes :
- dépôt sur un substrat d'une couche dudit matériau sacrificiel ;
- dépôt d'au moins une couche dudit matériau de fabrication desdites microparticules ;
- structuration desdites couches de matériau sacrificiel et de matériau de fabrication par formation desdits plots dont le sommet présente la forme des microparticules que l'on cherche à fabriquer ;
- retrait dudit matériau sacrificiel de sorte qu'on libère les particules formées par ledit matériau de fabrication.
[0031 ] Ces modes de réalisation du procédé de fabrication présentent en outre l'avantage suivant :
- réaliser la tête de la microparticule par dépôt et/ou gravure de la même couche que celle utilisée pour former la queue permet de fixer simplement la queue sur la tête. De plus, cela limite les frottements visqueux car la queue et la tête sont plates.
[0032] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en se référant aux dessins sur lesquels :
- la figure 1 est une illustration schématique et en perspective d'une microparticule selon l'invention,
- la figure 2 est un organigramme d'un procédé de fabrication de la microparticule de la figure 1 ,
- les figures 3 à 6 sont des illustrations schématiques de différentes étapes du procédé de la figure 2,
- les figures 7 et 8 sont des illustrations schématiques du fonctionnement de la microparticule de la figure 1 ,
- les figures 9 à 1 1 sont des illustrations schématiques et en perspective de trois autres modes de réalisation possibles d'une microparticule selon l'invention,
- la figure 1 2 est une illustration schématique et en vue de dessus d'un autre mode de réalisation de la microparticule de la figure 1 , et
- les figures 1 3 et 14 sont des illustrations schématiques en vue de côté d'autres modes de réalisation de la microparticule de la figure 1 .
[0033] Dans ces figures, les mêmes références sont utilisées pour désigner les mêmes éléments. [0034] Dans la suite de cette description, les caractéristiques et fonctions bien connues de l'homme du métier ne sont pas décrites en détail.
[0035] La figure 1 représente une microparticule 2 apte à se déplacer le long d'une trajectoire 3 dans une solution quand un champ magnétique alternatif Ba est appliqué dans une direction non colinéaire à la trajectoire 3. Par exemple, le liquide visqueux est de l'eau ou de la glycérine ou un solvant.
[0036] Un exemple de dispositif permettant d'appliquer le champ Ba sur la microparticule 2 est décrit dans l'article D1 de sorte qu'ici ce dispositif n'est pas décrit. De plus, ici, ce dispositif applique également un champ magnétique continu dont la direction est parallèle à la trajectoire 3 pour aligner et maintenir la microparticule 2 alignée sur cette trajectoire.
[0037] Ici, la trajectoire 3 est une trajectoire rectiligne. Cette trajectoire est horizontale et s'étend parallèlement à une direction X. Le champ Ba est sensiblement parallèle à une direction horizontale Y perpendiculaire à la direction X.
[0038] La microparticule 2 est équipée d'une tête 4 et d'une queue 6 réalisée d'un seul tenant dans une même couche en matériau magnétique doux.
[0039] Par matériau magnétique doux on désigne un matériau magnétique qui, lorsqu'aucun facteur de forme particulier ne lui est appliqué, présente un champ coercitif inférieur à 0,005 Tesla. Dans cette description, un matériau magnétique dur est un matériau présentant un champ coercitif supérieur à 0,01 Tesla.
[0040] La queue 6 est oblongue et flexible. Elle possède une extrémité proximale 8 mécaniquement fixée à la tête 4 et une extrémité distale 1 0 libre.
[0041 ] La microparticule 2 se déplace le long de la trajectoire 3 grâce à des battements transversaux de la queue 6. Les battements transversaux correspondent à des déplacements de l'extrémité 1 0 qui propulsent la microparticule 2 le long de la trajectoire 3 dans un sens ou dans l'autre tout en maintenant la tête stable. On considère que la tête est stable lorsqu'elle n'effectue pas de révolution complète sur elle même autour d'un axe parallèle à la trajectoire 3. Par exemple, les battements de la queue 6 sont des ondulations de sorte que la queue fonctionne comme un flagelle. Dans le cas particulier décrit ici, les battements correspondent à un déplacement de l'extrémité 1 0 dans un plan parallèle à la trajectoire 3. Ici les battements transversaux sont réalisés dans le plan X, Y. Les battements de la queue 6 imitent ceux d'un flagelle pour propulser la microparticule 2 dans la solution. Le mode de propulsion obtenu est donc totalement différent de celui qui serait obtenu en faisant tourner sur elle-même la queue 6 à la manière d'une hélice.
[0042] Sur la figure 1 , la microparticule 2 est représentée au repos c'est-à-dire en absence du champ Ba. Dans cet état, la queue 6 s'étend le long d'un axe longitudinal confondu ici avec la trajectoire 3.
[0043] Les dimensions de la queue 6 et le matériau magnétique sont choisis pour permettre la flexion de la queue 6 sous l'effet du champ Ba. Ici, la raideur de la queue 6 est suffisamment faible pour qu'elle s'incurve dans le plan XY aussi bien dans un sens que dans l'autre sous l'action du champ Ba. De préférence, les déformations de la queue 6 provoquées par le champ Ba sont des déformations élastiques. A cet effet, le facteur de forme de la queue 6 est important c'est-à-dire qu'il est supérieur à cinq et, de préférence, supérieur à 1 0 ou 1 00. Par facteur de forme, on désigne le rapport de la longueur L de la queue 6 mesurée entre les extrémités 8 et 10 sur sa dimension moyenne dans une direction parallèle au champ Ba. Ici, la queue 6 est un parallélépipède. Ses dimensions transversales, c'est-à-dire celles perpendiculaires à son axe longitudinal 3, sont donc constantes sur toute sa longueur. Dès lors, le facteur de forme est le rapport de la longueur L sur la largeur I de la queue 6 dans la direction Y. Ici, la longueur L et la largeur I sont égales, respectivement, à 50 μιτι et 0,35 μιτι. L'épaisseur e de la couche en matériau magnétique est ici prise égale à 0, 1 μιτι.
[0044] Par ailleurs, les dimensions transversales choisies de la queue 6 sont suffisamment petites pour maintenir la direction de plus facile aimantation du matériau magnétique parallèle à l'axe 3 même lorsque le champ Ba est appliqué. [0045] La tête 4 est directement solidaire de l'extrémité 8 pour limiter le débattement de l'extrémité 8 par rapport au débattement de l'extrémité 1 0 lorsque le champ Ba est appliqué. Cette dissymétrie entre les débattements des extrémités 8 et 1 0 permet à la microparticule 2 d'avancer le long de la trajectoire 3 lorsque le champ Ba est appliqué.
[0046] A cet effet, les dimensions transversales de la tête 4 sont plus grandes que celles de la queue 6. Cette conformation de la tête 4 permet d'augmenter l'inertie de l'extrémité 8 en augmentant les frottements visqueux entre la tête 4 et la solution. Le champ magnétique continu appliqué sur la tête 4 contribue aussi à augmenter l'inertie de l'extrémité 8 et à stabiliser la tête 4. Ceci limite l'amplitude du débattement de l'extrémité 8 par rapport à l'amplitude du débattement de l'extrémité 1 0 en présence du même champ Ba.
[0047] De plus, les dimensions transversales de la tête 4 sont choisies suffisamment grandes pour permettre à la direction de plus facile aimantation du matériau magnétique doux de s'aligner sur la direction du champ Ba. Par exemple, la tête 4 est un disque horizontal d'épaisseur e et de diamètre 5 μιτι. La forme plate de la tête 4 améliore l'hydrodynamisme de la microparticule 2.
[0048] Un procédé de fabrication collective de microparticules 2 va maintenant être décrit en regard du procédé de la figure 2 et des illustrations des figures 3 à 6.
[0049] Initialement, lors d'une étape 20, un réseau de plots verticaux 22 est réalisé sur un substrat 24 (figure 3). Ces plots 22 sont réalisés dans un matériau sacrificiel susceptible d'être éliminé à l'aide d'un solvant ou d'un autre type d'attaque chimique sans pour autant détruire les microparticules 2. [0050] La face au sommet de chaque plot 22 est identique à la section horizontale de la microparticule 2. Toutefois, pour simplifier les figures 3, 5 et 6, cette section horizontale est représentée comme étant rectangulaire.
[0051 ] Par exemple, le réseau de plots 22 est réalisé par lithographie optique ou électronique. Il peut également être réalisé par nanoimpression. Le matériau sacrificiel utilisé pour réaliser les plots 22 est une résine telle qu'un polymère ou tout autre matériau dissoluble dans un solvant qui ne détruit pas les microparticules 2.
[0052] Une fois les plots 22 réalisés, lors d'une étape 26, on procède au dépôt d'une couche en matériau magnétique doux sur les sommets de chacun des plots 22. Par exemple, la couche en matériau magnétique ne se dépose pas sur les faces verticales des plots 22.
[0053] Ici, la couche en matériau magnétique doux est réalisée par un empilement de trois sous-couches respectivement en alliage NiFe, en ruthénium (Ru), et en alliage NiFe. Ces sous-couches sont représentées sur la figure 4. Le résultat obtenu à l'issu de l'étape 26 est représenté sur la figure 5.
[0054] Ensuite, lors d'une étape 28, on procède à la libération des microparticules 2 (ou « lift off » en anglais) du substrat 24. Pour cela, on procède à l'élimination du matériau sacrificiel. Par exemple, un solvant est utilisé pour libérer les microparticules 2. Dès lors, les microparticules 2 qui étaient solidaires des sommets des plots 22 s'en détachent et sont libres de se mouvoir dans le solvant utilisé.
[0055] Le résultat obtenu à l'issu de l'étape 28 est représenté sur la figure 6.
[0056] Le procédé décrit ici est un procédé de fabrication collectif et simultané d'une multitude de microparticules 2. Des informations supplémentaires sur un tel procédé de fabrication peuvent être trouvées dans le document suivant :
Wei H u et al., « High-moment antiferromagnetic nanoparticules tunable magnetic properties », Advanced Materials, 2008, 20, 1479-1483, Willey-VCH, Verlag Gmbh and Co.
[0057] Comme cela va maintenant être décrit en regard des figures 7 et 8, une microparticule 2 ainsi fabriquée se déplace dans une solution visqueuse telle que le solvant utilisé lors de l'étape 28 ou tout autre solution visqueuse.
[0058] A l'instant ti (figure 7) la direction du champ magnétique Ba est contenue dans le plan XY et fait un angle Θ non nul avec la direction Y.
[0059] A cause des dimensions transversales de la queue 6, le moment magnétique MQ dans la queue 6 reste aligné sur l'axe longitudinal 3. De plus, ici, l'angle Θ est choisi de manière à orienter systématiquement la direction du moment magnétique MQ de la queue vers la tête. Un couple magnétique important s'exerce donc sur la queue 6 car l'écart angulaire entre les directions du moment MQ et du champ Ba est important.
[0060] Dans le même temps, à cause des dimensions transversales plus importantes de la tête 4, le moment magnétique Mt de la tête 4 s'aligne sur la direction du champ Ba. L'écart angulaire entre les directions du moment magnétique Mt et du champ Ba est donc faible. Par conséquent, le couple magnétique qui s'exerce sur la tête 4 est au moins deux fois inférieur à celui qui s'exerce sur la queue 6. Ici, le couple magnétique sur la tête 4 est nul ou presque nul. Ainsi, dans ce mode de réalisation, la géométrie particulière de la microparticule 2 permet d'exercer un couple magnétique plus important sur la queue 6 que sur la tête 4 alors que la quantité de matériau magnétique dans la tête 4 est supérieure voire très supérieure à la quantité de matériau magnétique dans la queue 6.
[0061 ] Dans ces conditions, la queue 6 se courbe dans le plan X, Y pour atteindre une position telle que celle représentée en pointillée sur la figure 7. La tête 4 ne tourne quasiment pas dans le même temps.
[0062] A un instant t2 ultérieur (figure 8), le champ Ba est le symétrique par rapport à la direction X du champ Ba à l'instant t-i . Comme précédemment, le moment magnétique MQ de la queue 6 reste aligné sur l'axe longitudinal de cette queue alors que le moment magnétique Mt de la tête 4 tourne pour s'aligner sur la direction du champ Ba. Dans ces conditions, la queue 6 se courbe dans le plan X, Y pour atteindre une position telle que celle représentée en pointillée sur la figure 8.
[0063] En alternant la direction du champ Ba entre les deux positions représentées sur les figures 7 et 8, on obtient un battement de la queue 6. Ce battement, à la manière de celui d'un flagelle, propulse la microparticule 2 le long de la trajectoire 3. Lors de ces battements, l'extrémité 10 se déplace dans le plan X, Y entre les deux positions extrêmes représentées, respectivement, sur les figures 7 et 8.
[0064] De nombreux autres modes de réalisation de la microparticule 2 sont possibles. Par exemple, la figure 9 représente une microparticule 40 équipée d'une queue 42 et d'une tête 44. La queue 42 est par exemple identique à la queue 6. La tête 44 a une section transversale identique à celle de la queue 42. Toutefois, la tête 44 est réalisée dans un matériau, par exemple non-magnétique, plus dense que le matériau magnétique utilisé pour la queue 42. L'inertie pour déplacer l'extrémité proximale et donc plus importante que celle pour déplacer l'extrémité distale. Ainsi, cette tête 44 limite le débattement de l'extrémité proximale de la queue 42 par rapport au débattement de son extrémité distale sans pour autant avoir une section transversale différente de celle de la queue 42.
[0065] La figure 10 représente une microparticule 50 équipée d'une queue 52 et d'une tête pointue 54. La direction du moment magnétique M de la queue 52 est parallèle à la direction Z, c'est-à-dire perpendiculaire au plan de la couche en matériau magnétique utilisé pour réaliser la queue 52. A cet effet, le matériau magnétique utilisé pour réaliser la queue 52 est un matériau magnétique présentant une anisotropie perpendiculaire au plan de la couche. Le matériau magnétique utilisé est par exemple une multicouche composée de plusieurs couches de cobalt (Co) et de platine (Pt). [0066] La tête 54 est par exemple réalisée dans un matériau magnétique doux ou un matériau non-magnétique ou amagnétique.
[0067] Cette microparticule 50 se déplace dans une solution lorsqu'elle est soumise, en alternance, à deux champs magnétiques Bz et Bz2. Les champs Bz et Bz2 sont inclinées par rapport à la direction du moment M. Ici, les directions des champs Bn et Bz2 sont contenues dans un plan parallèle au plan X, Z et inclinées, respectivement de +45° et de -45° par rapport à la direction X. Le battement de la queue 52 s'effectue alors dans le plan vertical X, Z et non pas dans le plan horizontal X, Y comme décrit en regard des figures 7 et 8. Dans ces conditions, la surface d'appui de la queue 52 sur la solution est accrue ce qui améliore l'efficacité du déplacement de la microparticule 50.
[0068] La figure 1 1 représente une microparticule 60 équipée d'une queue 62 et d'une tête 64. La tête 64 est un parallélépipède dont les plus grandes faces sont parallèles au plan X, Y.
[0069] La queue 62 est par exemple identique à la queue 6 à l'exception du fait que le plan de la couche qui la forme est incliné par rapport au plan X, Y. Cette configuration de la queue 62 permet d'augmenter la surface d'appui de la queue sur la solution et donc d'augmenter la force de propulsion. En fin de compte, cela favorise le déplacement de la microparticule 60.
[0070] La figure 12 représente une microparticule 70 identique à la microparticule 2 à l'exception du fait que la queue 6 est remplacée par deux queues 72 et 74. Les queues 72 et 74 sont les symétriques l'une de l'autre par rapport à un plan vertical passant par le centre de gravité de la tête 4. Ici ce plan vertical contient l'axe 3. Au repos, chaque queue 72, 74 est incurvée de manière à former un coude, respectivement 76 et 78 dans le plan X, Y. Ces coudes se situent entre les extrémités proximale et distale de la queue. Par exemple, les coudes 76 et 78 sont formés au milieu de la longueur des queues 72 et 74.
[0071 ] Sur la figure 12, la position des queues 72 et 74 représentée en traits fins correspond à la position de ces queues en absence de champ magnétique alternatif extérieur. Lorsqu'un champ magnétique alternatif By est appliqué parallèlement à la direction Y, les coudes 76 et 78 se plient de manière à ce que les queues 72 et 74 atteignent les positions représentées en trait pointillé sur la figure 12. Lorsque le champ magnétique By disparaît de nouveau, les queues 72 et 74 retrouvent, par exemple par déformation élastique, leurs positions représentées en trait plein. Ainsi, les queues 72 et 74 effectuent un mouvement proche d'un mouvement de brasse pour déplacer la microparticule 70 en présence du champ By.
[0072] Dans ce mode de réalisation, les queues 72 et 74 sont réalisées à l'aide d'un matériau magnétique doux. [0073] La figure 13 représente en vue de côté une microparticule 80 équipée d'une tête 82 raccordée à une queue 84. La tête 82 et la queue 84 sont réalisées à partir d'une couche 86 en matériau non magnétique 86 d'un seul tenant.
[0074] Des plots magnétiques 88 sont gravés sur la couche 86 pour former les éléments magnétiques de la queue 84 qui vont lui permettre de battre en présence d'un champ magnétique alternatif extérieur.
[0075] Pour augmenter l'inertie de la tête 82, un plot 90 en matériau magnétique ou non peut être réalisé sur la couche 86 au niveau de la tête 82.
[0076] Les plots 88 et 90 sont par exemple réalisés par gravure d'une même couche en matériau magnétique lors de la fabrication de la microparticule 80.
[0077] La figure 13 montre que l'élément magnétique dont est pourvue la queue de la microparticule n'est pas nécessairement une couche en matériau magnétique qui s'étend continûment de l'extrémité proximale à l'extrémité distale. De plus, comme représenté, la queue 84 peut comporter plusieurs éléments magnétiques disjoints. Toutefois, en variante, la queue comporte un seul élément magnétique tel qu'un seul plot 88.
[0078] La figure 14 représente en vue de côté une microparticule 90 équipée d'une tête 92 et d'une queue 94. La tête 92 est réalisée à partir d'une couche 96 de matériau magnétique ou non.
[0079] L'extrémité proximale de la queue 94 ainsi qu'une bonne partie de la queue 94 est également réalisée dans la couche 96.
[0080] La queue 94 comporte également une couche 98, par exemple en matériau magnétique, qui s'étend au-delà de la couche 96 parallèlement à la direction X jusqu'à l'extrémité distale de la queue 94. Les couches 96 et 98 se superposent l'une au-dessus de l'autre dans une zone de chevauchement de manière à raccorder mécaniquement les extrémités proximale et distale de la queue 94.
[0081 ] De nombreuses formes différentes sont possibles pour la tête de la microparticule, par exemple celle-ci peut être carrée, avoir la forme d'un disque, d'un parallélépipède, avoir une section horizontale ellipsoïdale, conique ou autre. De façon générale, la forme de la tête est optimisée afin d'améliorer l'hydrodynamisme de la microparticule.
[0082] Les battements de la queue ne sont pas nécessairement limités à des mouvements de l'extrémité distale dans un plan. Selon la forme de la queue et la direction du champ magnétique alternatif appliqué, les déformations de la queue peuvent entraîner des déplacements de l'extrémité distale en dehors d'un plan.
[0083] Le matériau magnétique utilisé dans les différents modes de réalisation précédents peut être doux ou dur.
[0084] Ainsi, la particule est formée : - soit d'une seule couche magnétique qui forme la tête et la queue (dont la forme en vue de dessus est librement dessiné, comme tout motif obtenu par photolithographie ou nanoimpression) ;
- soit d'une couche non magnétique toujours d'un seul tenant (par exemple de cuivre) avec des portions magnétiques déposées au dessus, en particulier au niveau de la queue.
[0085] De préférence, lorsque la tête est réalisée dans un matériau magnétique, celle-ci ne forme qu'un seul bloc de matière avec la queue.
[0086] La section transversale de la queue n'est pas nécessairement constante. Par exemple, elle peut présenter des renflements ou aller en s'élargissant ou, au contraire en s'amenuisant au fur et à mesure que l'on se rapproche de l'extrémité distale.
[0087] La microparticule peut avoir deux ou plus de trois queues aptes à battre pour la propulser.
[0088] La queue de la microparticule n'est pas nécessairement rectiligne au repos. Par exemple, dans un mode de réalisation particulier, l'extrémité proximale de la queue est raccordée à l'avant de la tête puis se recourbe pour s'étendre vers l'arrière de la tête.
[0089] Eventuellement, d'autres couches que des couches magnétiques peuvent également être déposées lors de l'étape 26 du procédé de fabrication. Par exemple, des couches externes de la microparticule 2 sont réalisées en matériau biocompatible tel que de l'or ou de la silice.
[0090] D'autres procédés de fabrication que celui impliquant la réalisation de plots dans un matériau sacrificiel sont utilisables. Par exemple, les différentes couches qui composent la microparticule peuvent être déposées sur une couche sacrificielle elle- même déposée sur un substrat. Ensuite, l'empilement de couches est gravé pour former la tête et la queue de la microparticule puis la couche sacrificielle est éliminée pour libérer la microparticule du substrat. Plusieurs étapes de gravures peuvent être utilisées de manière à conformer de façon différente plusieurs des couches de l'empilement de couches formant la microparticule. Par exemple, plusieurs étapes de gravure sont nécessaires pour réaliser la microparticule des modes de réalisation des figures 13 et 14.
[0091 ] Pour déplacer la microparticule, un champ alternatif est nécessaire.
Toutefois, il n'est pas nécessaire que ce champ alternatif change de signe.
[0092] Par ailleurs, il n'est pas non plus nécessaire qu'un champ magnétique continu soit utilisé pour aligner les particules sur la direction de déplacement. En effet, pour qu'une microparticule se déplace il suffit que le champ magnétique alternatif ne soit pas parallèle au moment magnétique des éléments magnétiques de la queue. Dès qu'il existe une légère inclinaison entre la direction du champ magnétique appliqué et le moment magnétique des éléments magnétiques de la queue, la microparticule est susceptible de se déplacer. Toutefois, dans le cas idéal, le moment magnétique des éléments magnétiques de la queue est perpendiculaire au champ magnétique alternatif de manière à maximiser l'efficacité du déplacement.
[0093] Bien que cela ne soit pas indispensable, le champ magnétique alternatif peut éventuellement être un champ magnétique tournant, c'est-à-dire dont la direction tourne autour d'un axe tel qu'un axe colinéaire à la trajectoire 3 ; mais ce champ magnétique tournant n'est absolument pas essentiel à la mise en œuvre de l'invention.
[0094] D'autres actions de propulsion peuvent se superposer à celles des battements de la queue. Par exemple, un gradient de champ magnétique peut également être utilisé en plus ou la microparticule peut être entraînée par l'écoulement du fluide.
[0095] Enfin, on notera que le champ magnétique alternatif n'est pas nécessairement sinusoïdal ou périodique. En particulier, la vitesse de variation du champ peut être différente lorsque le champ tend à écarter la queue de sa position au repos et quand il tend à la ramener vers sa position au repos. Par exemple, le champ peut être appliqué par impulsions successives. Lors d'une première impulsion, le champ magnétique est uniquement appliqué dans un sens puis annulé. Après un intervalle de temps plus long que celui de l'impulsion, une seconde impulsion de champ magnétique est appliquée. Pendant la seconde impulsion, le champ magnétique est par exemple appliqué dans la direction opposée. Ces première et seconde impulsions sont répétées en alternance pour faire avancer la microparticule par à-coup. Par exemple, pendant l'intervalle de temps où il n'existe aucune impulsion de champ magnétique, la queue se relâche pour retrouver sa position de repos. Dans ce mode de réalisation, la queue subit uniquement des déformations élastiques.

Claims

REVENDICATIONS
1. Microparticule (2, 40, 50, 60) comportant :
- au moins une queue flexible (6, 42, 52, 62) oblongue apte à propulser ladite microparticule (2, 40, 50, 60) dans une solution le long d'une trajectoire grâce à des battements transversaux à la trajectoire, ladite queue étant pourvue à cet effet d'au moins un élément magnétique de sorte que ledit élément magnétique provoque des battements de ladite queue (6, 42, 52, 62) sous l'action d'un champ magnétique extérieur alternatif non colinéaire avec la trajectoire,
- une tête (4, 44, 54, 64) mécaniquement raccordée à une extrémité proximale de la queue,
ladite microparticule (2, 42, 52, 62) étant caractérisée en ce qu'elle comporte au moins une couche de matériau formée d'un seul tenant et comprenant ladite queue (6, 42, 52, 62) et ladite tête (4, 44, 54, 64),
les dimensions et/ou la forme de ladite tête (4, 44, 54, 64) étant choisie de sorte que les battements de ladite extrémité proximale de ladite queue (6, 42, 52, 62) sont limités par rapport aux battements de l'extrémité distale de la queue (6, 42, 52, 62) et de sorte que ladite tête (4, 44, 54, 64) n'effectue pas de révolution complète autour d'un axe parallèle à la trajectoire sous l'effet du champ magnétique alternatif extérieur.
2. Microparticule (2) selon la revendication 1 caractérisée en ce que les dimensions et/ou la forme de ladite queue sont choisies de sorte que la direction du moment magnétique de la queue est maintenue dans l'axe longitudinal de la queue.
3. Microparticule (2) selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce que ladite couche formée d'un seul tenant est une couche en matériau magnétique.
4. Microparticule (2) selon la revendication 3 caractérisée en ce que le matériau magnétique est un matériau magnétique doux, la forme de ladite tête (4) étant choisie sans anisotropie de forme, par exemple une forme sensiblement ronde de sorte que le moment magnétique de ladite tête s'aligne spontanément suivant la direction du champ magnétique alternatif.
5. Microparticule (2) selon la revendication précédente caractérisée en ce que les dimensions transversales de ladite tête (4) sont choisies suffisamment grandes de sorte que la direction d'aimantation dudit matériau magnétique doux s'aligne sur la direction du champ magnétique alternatif.
6. Microparticule (2) selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisée en ce que ledit matériau magnétique est un matériau magnétique dur d'aimantation parallèle à la longueur de ladite queue (6).
7. Microparticule (2) selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisée en ce que ledit matériau magnétique est un matériau magnétique d'aimantation spontanée orientée hors du plan de ladite queue (6).
8. Microparticule (2) selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisée en ce que ledit matériau est un matériau non magnétique, une portion magnétique étant au moins déposée sur ladite queue (6).
9. Microparticule (2) selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce que la longueur de ladite queue (6) est au moins cinq fois, préférentiellement 10 ou 100 fois, supérieure à l'une des dimensions transversales de ladite queue (6).
10. Microparticule (2) selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce qu'un matériau biocompatible est déposé sur ladite couche.
11. Microparticule (2) selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce qu'elle comporte un élément d'intérêt greffé sur ladite tête.
12. Microparticule selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que la microparticule comprend une première queue (72) mécaniquement raccordée à la tête (7) et une seconde queue (74) qui est le symétrique de la première queue par rapport à un plan perpendiculaire au plan de la couche et passant par le centre de gravité de la tête.
13. Microparticule selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que la queue (72, 74) forme systématiquement un coude entre ses extrémités proximale et distale en absence du champ magnétique alternatif.
14. Microparticule selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que la tête (64) et la queue (62) sont planaires et le plan de la couche de la queue est oblique par rapport au plan de la tête.
15. Procédé de fabrication d'une microparticule selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend
- le dépôt (26) et/ou la structuration d'au moins une couche déposée sur un substrat pour former la queue et la tête d'un seul tenant,
- la libération (28) de la queue et de la tête du substrat.
16. Procédé de fabrication collective d'une pluralité de microparticules selon l'une des revendications 1 à 14 caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes :
- réalisation sur un substrat d'un réseau de plots, lesdits plots étant réalisés dans un matériau sacrificiel et le sommet de chaque plot présentant la forme d'une microparticule, ladite couche de matériau formée d'un seul tenant et comprenant ladite queue et ladite tête ;
- élimination dudit premier matériau sacrificiel de sorte qu'on libère lesdites particules.
17. Procédé selon la revendication 16 caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes :
- dépôt sur un substrat d'une couche dudit matériau sacrificiel ;
- structuration de la couche de matériau sacrificiel par formation desdits plots dont le sommet présente la forme des microparticules que l'on cherche à fabriquer ;
- dépôt dudit matériau de fabrication desdites microparticules, ledit matériau de fabrication couvrant les sommets desdits plots ;
- retrait dudit matériau sacrificiel de sorte qu'on libère les particules formées par ledit matériau de fabrication.
18. Procédé selon la revendication 16 caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes :
- dépôt sur un substrat d'une couche dudit matériau sacrificiel ;
- dépôt d'au moins une couche dudit matériau de fabrication desdites microparticules ;
- structuration desdites couches de matériau sacrificiel et de matériau de fabrication par formation desdits plots dont le sommet présente la forme des microparticules que l'on cherche à fabriquer ; - retrait dudit matériau sacrificiel de sorte qu'on libère les particules formées par ledit matériau de fabrication.
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