EP3917872A1 - Procédé de fabrication de dispositifs microfluidiques 3d - Google Patents

Procédé de fabrication de dispositifs microfluidiques 3d

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Publication number
EP3917872A1
EP3917872A1 EP20705241.6A EP20705241A EP3917872A1 EP 3917872 A1 EP3917872 A1 EP 3917872A1 EP 20705241 A EP20705241 A EP 20705241A EP 3917872 A1 EP3917872 A1 EP 3917872A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
support
mold
substrate
printing
sub
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP20705241.6A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Florian LARRAMENDY
Thibault Honegger
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.)
Netri SAS
Original Assignee
Netri SAS
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 Netri SAS filed Critical Netri SAS
Publication of EP3917872A1 publication Critical patent/EP3917872A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C99/00—Subject matter not provided for in other groups of this subclass
    • B81C99/0075—Manufacture of substrate-free structures
    • B81C99/0085—Manufacture of substrate-free structures using moulds and master templates, e.g. for hot-embossing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
    • B01L3/5027—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
    • B01L3/502707—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by the manufacture of the container or its components
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y80/00—Products made by additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C99/00—Subject matter not provided for in other groups of this subclass
    • B81C99/0075—Manufacture of substrate-free structures
    • B81C99/009—Manufacturing the stamps or the moulds
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2200/00—Solutions for specific problems relating to chemical or physical laboratory apparatus
    • B01L2200/12—Specific details about manufacturing devices
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M23/00—Constructional details, e.g. recesses, hinges
    • C12M23/02—Form or structure of the vessel
    • C12M23/16—Microfluidic devices; Capillary tubes

Definitions

  • the present invention relates to the field of microfluidic devices and in particular to a method of manufacturing such devices.
  • Microfluidic devices are used to replicate systems that manipulate small volumes of fluids, using channels the size of a few micrometers.
  • PDMS polydimethylsiloxane
  • 3D printing could allow more complex devices to be made in three dimensions, but the resolution of 3D printing is not sufficient to produce the desired microfluidic devices, and the materials used in 3D printing are not compatible with the conditions. use of these devices for biological tests.
  • the existing methods of manufacturing these devices are not very efficient in terms of time, and cannot be adapted to production in large quantities.
  • the object of the invention is therefore to propose a solution to all or part of these problems.
  • the present invention relates to a method of manufacturing a microfluidic device, the method comprising a step of producing a master mold, the master mold comprising a first support and a second support, the second support comprising a substrate. and microstructures, the substrate having a first face and a second face opposite to the first, the step of producing the master mold comprising the following substeps:
  • the dimensions of the first support being adjusted to the dimensions of the substrate to contain the substrate;
  • the invention comprises one or more of the following characteristics, alone or in combination.
  • the microstructures have at least one dimension less than 30 microns.
  • the substrate is made of silicon.
  • a master mold is produced by combining a 3D printing process for the production of patterns whose dimensions are submillimetric or millimeter and the micro-structuring, preferably by photolithography or micro-etching on a silicon substrate, or by any other equivalent process, for the formation of micrometric or submicrometric patterns.
  • the step of printing the first support in three dimensions comprises:
  • the second support is partially encapsulated by the first support during the sub-step of continuing the 3-D printing of the first support.
  • the second support is better fixed to the first support, the second support no longer being able to move relative to the first support.
  • the dimensions of the additional layer of the first support are not constrained by the dimensions of the second support which is encapsulated.
  • the silicon substrate is included.
  • the silicon substrate is protected and less likely to be broken when inserted into the first support.
  • the different parts are aligned with each other by construction, and there is no interconnection problem between the different parts.
  • the first support comprises a first part and a second part, the respective dimensions of the first part and of the second part being adjusted to the dimensions of the substrate of the second support so that the substrate of the second support s 'inserted into a recess of the first support, the recess being formed between the first part and the second part of the first support, the step of printing the first support in three dimensions comprises:
  • This alternative mode of implementation has the advantage of overcoming certain restrictions in the exposure area of 3D printers.
  • the printing of the first support is stopped as soon as a total height, equal to a sum of a thickness of a bottom of the first printed support, added to the thickness of the substrate of the second support, is greater than the height of the first printed medium, of a value equal to or less than a predetermined threshold;
  • the insertion of the substrate of the second support in the first support causes the second face of the substrate to rest on the bottom of the first support;
  • the step of producing the master mold further comprises the following sub-steps:
  • the step of inserting the second support into the first support is made easier, given the adjusted nature of the dimensions of the second support relative to those of the first support.
  • the step of adding resin to the surface of the silicon substrate prevents the appearance of bubbles during printing.
  • the formation of the microstructures comprises the implementation of one of the techniques from photolithography, wet or dry wafer etching, 2-photon technology, 3D printing with a resolution comparable to that of photolithography.
  • the dimensions of the first support are adjusted to the dimensions of the cut substrate, a width and a length of the first support being respectively greater than a width and a length of the substrate cut from the second support, by an equal value. within a specified tolerance.
  • the tolerance margin for the width and the length of the first support is less than 0.25% of the width of the first support and less than 0.25% of the length of the first support, respectively.
  • the tolerance margin is determined as a function of the precision of the dimensioning of the microstructures formed on the second support, ie for example a determined tolerance margin of 100 ⁇ m.
  • the method further comprises a step of replicating the master mold to produce a first secondary mold from the master mold and to produce a second secondary mold from the first secondary mold.
  • the replication step comprises a sub-step of producing a first secondary mold and a sub-step of producing a second secondary mold, the sub-step of producing a first secondary mold comprising a sub-sub-step for positioning the master mold inside a container, and a sub-sub-step for depositing on the master mold, in the container, a first secondary material in the viscous phase .
  • the first secondary material is crosslinkable, the first secondary material preferably being a silicone rubber.
  • the sub-step of producing a first secondary mold further comprises a sub-sub-step for putting under vacuum an internal volume of the container in which the master mold is positioned, and a sub-sub-step of annealing the first secondary material at ambient temperature for example, for example for 24 hours, before a sub-sub-step for removing the first secondary mold formed by the first secondary material deposited and crosslinked.
  • the first secondary material remains flexible in the crosslinked phase, in order to make it easier to remove, without destroying the master mold, the first secondary mold formed by crosslinking the first secondary material.
  • the first secondary material is a material compatible with the materials used to produce the master mold.
  • the sub-step of producing a second secondary mold comprises a sub-sub-step of depositing a second secondary material, for example in the liquid phase, on the first secondary mold, the second secondary material being crosslinkable and rigid in the solid crosslinked phase.
  • the sub-step of producing a second secondary mold comprises a sub-sub-step of removing the second secondary mold formed by the second crosslinked secondary material.
  • the second secondary material is a polyurethane resin.
  • the sub-step of producing a second secondary mold further comprises a sub-sub-step for removing bubbles in the second secondary material with a syringe cone, and a sub-sub annealing step, for example at room temperature, for example for 2 hours, before the sub-sub-step of removing the second secondary mold.
  • the microfluidic device comprises at least one layer, and the method comprises:
  • the new replication sub-step uses the characteristics indicated above for the replication step, starting from the master encapsulation mold to arrive at the encapsulation mold.
  • the replication step comprises the production of a secondary encapsulation mold and of an encapsulation mold, the production of a secondary encapsulation mold comprising a positioning of the master mold. encapsulation inside a container, and deposition on the mold master encapsulation, in the container, of a first secondary material in viscous phase.
  • the first secondary material is crosslinkable, the first secondary material preferably being a silicone rubber.
  • the production of the secondary encapsulation mold further comprises evacuating an interior volume of the container in which the master encapsulation mold is positioned, and annealing the first secondary material, to ambient temperature for example, for example for 24 hours, before the removal of the secondary encapsulation mold formed by the first secondary material deposited and crosslinked.
  • the first secondary material remains flexible in the crosslinked phase, in order to make it easier to remove, without destroying the master encapsulation mold, from the secondary encapsulation mold formed by crosslinking the first secondary material.
  • the first secondary material is a material compatible with the materials used to produce the master encapsulation mold.
  • the production of an encapsulation mold comprises the deposition of a second secondary material, for example in liquid phase, on the secondary encapsulation mold, the second secondary material being crosslinkable and rigid in solid crosslinked phase.
  • the production of the encapsulation mold comprises removing the encapsulation mold formed by the second crosslinked secondary material.
  • the second secondary material is a polyurethane resin.
  • the production of the encapsulation mold further comprises the removal of bubbles in the second secondary material with a syringe cone, and annealing, for example at room temperature, for example for 2 hours, before removal from the encapsulation mold.
  • the step of producing at least one layer comprises:
  • a sub-step of molding the at least one layer by depositing a molding material, between the second secondary mold and the encapsulation mold, the encapsulation mold and the second secondary mold being pressed against each other. 'another so as to ensure surface contact between the top elements of the second secondary mold and a surface of the encapsulation mold,
  • the layer is thermoformed, on a first surface of the layer, in contact with the structures and / or microstructures present on the second secondary mold, and on a second surface of the layer, in contact with the structures and / or microstructures present on the encapsulation mold, the encapsulation mold itself having been previously obtained by the replication of a structured and / or microstructured encapsulation master mold.
  • the molding material is a PDMS.
  • the annealing temperature is about 80 ° C. and the annealing time is about 1 hour.
  • the at least one layer comprises at least two layers, the layers of the at least two layers being superimposed and fixed one on the other after having been aligned with respect to one another. the other so as to form a three-dimensional microfluidic device.
  • patterns of one of the at least two layers being aligned with patterns of another of the at least two layers to form nodes distributed in 3 dimensions and microchannels, the microchannels the microchannels putting the nodes in fluid communication.
  • the layers are fixed to one another by being brought into contact with an oxygen plasma, for example for one minute.
  • the method comprises a first step of computer-aided design of the at least one layer according to a three-dimensional architecture of the microfluidic device, and a second step of computer-aided design of the master mold and of the master encapsulation mold according to the definition of the at least one layer.
  • the invention also relates to a master mold for the manufacture of a microfluidic device, the master mold comprising:
  • the master mold comprises one or more of the following characteristics, alone or in combination.
  • the microstructures have at least one dimension less than 30 microns.
  • the substrate is made of silicon.
  • the microstructures are formed by photolithography, or by a process having an equivalent resolution.
  • the second support is partially encapsulated by the first support.
  • the second support is better fixed to the first support, the second support no longer being able to move relative to the first support.
  • the dimensions of the additional layer of the first support are not constrained by the dimensions of the second support which is encapsulated.
  • the master mold is obtained by implementing the method according to the invention.
  • the invention also relates to a flexible secondary mold for the manufacture of a microfluidic device, the flexible secondary mold being a replication of the master mold according to one aspect of the invention in a first crosslinkable material which is flexible after curing.
  • the first material is compatible with the material of the master mold, and is deposited in the liquid or gel phase on the master mold, and is flexible after having crosslinked in the solid phase.
  • the first material is one of a silicone rubber, a polyurethane, a polydimethylsolixane (PDMS), an adhesive, an elastomer, a flexible foam, a plastiline.
  • PDMS polydimethylsolixane
  • the invention also relates to a rigid secondary mold for manufacturing a microfluidic device, the rigid secondary mold being a replication of the flexible secondary mold according to one aspect of the invention, in a second crosslinkable material. , which is rigid after cross-linking.
  • the second material is compatible with the material of the flexible secondary mold and is deposited in liquid or gel phase on the flexible secondary mold, and is rigid after having crosslinked in solid phase.
  • the second material is one of a polyurethane resin, a crosslinkable resin, a hardening gel, a hardening foam, a plastic, a glue.
  • the invention also relates to a layer for the manufacture of a microfluidic device, layer being a replication of the rigid secondary mold according to one aspect of the invention, in a third crosslinkable material.
  • the third material is compatible with the material of the rigid secondary mold, and is deposited in liquid or gel phase on the rigid secondary mold.
  • the third material is one of a polyurethane, a polydimethylsolixane (PDMS), a silicone rubber, an adhesive, an elastomer, a flexible foam, a plastiline.
  • the invention also relates to a microfluidic device comprising at least two layers according to one aspect of the invention, the at least two layers being placed and fixed one on the other, patterns of the 'one of the at least two layers being aligned with patterns of another of the at least two layers to form nodes distributed in 3 dimensions and microchannels, the microchannels putting the nodes in fluid communication.
  • the master molds which do not require the formation of microstructures that is to say structures whose smallest dimension is less than the resolution of the 3D printer, for example less than 30 ⁇ m, are produced by 3D printing, while those which require the formation of microstructures are produced by the process according to the invention, which combines 3D printing with photolithography or a process of equivalent precision and resolution.
  • the second secondary mold and the corresponding encapsulation mold preferably rigid
  • the invention allows rapid prototyping because it uses the design and manufacturing advantages of 3D printing.
  • the longest time is the manufacture of the master mold and of the second support with its microstructures, ie about 24 hours, and of the impression in the form of the first flexible secondary mold, also about 24 hours.
  • the reproduction of the molds, in the form of the second, secondary, rigid molds takes only about 1 hour, and the molding of the layers of the microfluidic device takes only about 2 hours.
  • the initial equipment for manufacturing the devices is standard and therefore inexpensive, around € 50k, compared to very high resolution 3D printing equipment, around € 200k.
  • the reproduction of molds and the manufacture of the devices are carried out with controlled quantities which make it possible not to have any loss of material, unlike the conventional methods of manufacturing such devices.
  • the method according to the invention is therefore more economical.
  • the very structure of the different parts of the master molds, as well as the manufacturing method, can be standardized so that the modifications between each type of device have a minor impact in design and manufacturing time.
  • FIG. 1 is an illustration of the substeps of the production step of a master mold by 3D printing (Fia, Flb, Fie, Fld, Fie, Flf, Fig),
  • FIG. 2 is a representation of the respective dimensions of the first support and of the substrate of the second support (F2a, F2b),
  • FIG. 3 is a representation of a first part and a second part of the first support, according to a variant of the step of producing a master mold by 3D printing,
  • FIG. 4 is an illustration of the substeps of a variant of the production step of a master mold by 3D printing (F4a, F4b, F4c, F4d, F4e, F4f),
  • FIG. 5 is a representation of the respective dimensions of the first support and of the substrate of the second support according to the variant of the production step of a master mold by 3D printing,
  • FIG. 6 is an illustration of the substeps of the replication step of a master mold (F6a, F6b, F6c, F6d, F6e).
  • FIG. 7 is an illustration of the step of producing a layer of a microfluidic device (F7a, F7b), and of the step of superposing two layers to form the 3D microfluidic device (F7c, F7d).
  • FIG. 8 is a schematic representation of the method according to the invention.
  • the method according to the invention consists in coupling microstructured substrates with submillimeter or millimeter patterns directly printed and aligned by 3D printing in order to make a master mold, which can then be replicated to create “secondary” molds which will be used to mold the different layers of a final microfluidic device.
  • the use of two successive molds allows molding compatibility for the polydimethylsiloxane (PDMS) elastomer, which does not crosslink on the master mold, but only on a secondary mold.
  • PDMS polydimethylsiloxane
  • a material is said to be crosslinkable if it is capable of crosslinking, i.e. if it is capable of passing from a pasty and viscous state of the material, to a solid state of the material, by polymerization of the material.
  • crosslinked phase we will denote the solid state of the material obtained after polymerization.
  • molding compatibility is defined here as the property of a material, for example PDMS, which allows the material to crosslink to the contact of another material, that of a mold for example, without the contact between the material and the other material causing a chemical reaction or interference between the two materials. In this sense, it is important that the material of the secondary mold is compatible with PDMS.
  • microfluidic device is split into several layers, each of which will be molded by said process. These PDMS layers will then be assembled by self-alignment to form a 3D microfluidic device.
  • FIG. 1 comprises various sub-figures Fia , Flb, Fie, Fld, Fle, Flf, and Fig and in Figure 2, which also includes various sub-figures F2a and F2b, as well as in Figure 8.
  • the master mold 1, shown in Fig, comprises a first support 2 and a second support 8, the second support 8 comprising a substrate 3 and microstructures 4 formed on one face of the substrate 3.
  • the substrate 3 of the second support 8 is, for example, made of silicon.
  • the microstructures 4 are formed on the surface of one face of the substrate 3 using for example conventional techniques, for example photolithography on silicon.
  • the term “microstructures” is understood to mean structured shapes which have at least one dimension less than 30 ⁇ m.
  • the production of the master mold then comprises the following steps:
  • 3D printing is done for example with a printing resin, the dimensions of the first support 2 being adjusted to the dimensions of the substrate 3 of the second support 8, to allow the substrate 3 to be contained;
  • the printing step 1012 in three dimensions (3D) of the first support 2 comprises:
  • the 3D printing of the first support is stopped 1013, as illustrated in FIG. 1-Flc, to allow the insertion 1014 of the second support 8 in the first support 2.
  • the stopping of the 3D printing is determined as a function of a height H tot of the edges of the first support. For example, when this height H tot is greater than the sum of a thickness E f of the bottom of the first support 2 and a thickness of the substrate of the second support 8, then the 3D printing of the first support is interrupted, and the second support 8 is inserted inside the first support 2 before continuing 3D printing of the first support 2.
  • the height H tot of the edges at the stop of the 3D printing will be sufficient to allow the substrate 3 to be encapsulated.
  • the second support 8 is cut lOllbis around the microstructures 4, the dimensions of the first support 2 being adjusted to the dimensions of the cut substrate 3. , to contain the substrate 3 cut.
  • a tool holder 5 of the 3D printer 7 is positioned lOllter at a determined position, reproducible after extraction of the tool holder 5 of the 3D printer. 7;
  • the tool holder 5 is extracted 1013bis from the 3D printer, as illustrated in FIG. 1-Fld, so as to facilitate the insertion 1014 of the second support 8 in the first support 2;
  • Resin can then be added 1014bis on the first face of the substrate of the second support 8, after the insertion step 1014;
  • the tool holder 5 can then be repositioned to the position determined on the 3D printer 7, as illustrated in FIG. 1-Flc, before continuing 3D printing 1015, as illustrated in FIG. 1-Flf;
  • the dimensions of the first support 2 are adjusted to the dimensions of the cut substrate 3; a width and a length L2 of the first support are respectively greater than a width and a length of the substrate cut from the second support 8, by a value equal to a determined tolerance margin.
  • the tolerance margin for the width and the length L2 of the first support is typically less than 0.25% of the width of the first support and 0.25% of the length L2 of the first support, respectively.
  • the tolerance margin is determined as a function of an accuracy of the dimensioning of the microstructures formed on the second support 8.
  • the tolerance margin may be for example 100 ⁇ m.
  • the first support comprises a first part A and a second part B, the respective dimensions of the first part A and of the second part B being adjusted to the dimensions of the substrate of the second support so that the substrate of the second support fits into a recess E of the first support, the recess being formed between the first part and the second part of the first support.
  • the three-dimensional printing step of the first support comprises: a 3D printing sub-step of the first part A of the first support, and
  • This variant has the advantage of overcoming the restriction of the exposure area of 3D printers.
  • the dimensioning of the first part A of the first support 2 is conditioned by the dimensions of the second support to be inserted. So, :
  • the edges of the first part A are of variable edge dimensions, advantageously identical, sufficiently wide for the second support to be strictly positioned in the center of the square including tolerance margins; these tolerance margins allow the adjusted insertion of the substrate of the second support to align the patterns to be printed in three dimensions, with the lithographed patterns; these tolerance margins also make it possible to take into account the constraints linked to the precision of the dimensions of the substrate.
  • the insertion tolerance margin is therefore, in this case, constrained by the precision of the cutting of the silicon support, the precision of which is 50 ⁇ m. This tolerance must be taken into account when designing the dimensioning of the photolithographed patterns, as illustrated in figure 5:
  • the embedding E of the substrate of the second support in the second part B of the first support takes place at a depth equivalent to the thickness of the substrate with a tolerance h SUbst r at and a covering I edge of the substrate of the second support.
  • the substrate of the second support is cut to the desired dimensions, for example with a disc saw.
  • the dimensions of the recess make it possible, for example, to receive the substrate from the second support with an accuracy of at least 50 ⁇ m in the plane of the tool holder, and with a precision of at least 5 ⁇ m in a plane perpendicular to the plane of the holder. tool. If the printer has a surface detection mode, there is no need to have a suitable tool holder as the surface of the silicon holder will be used as a reference.
  • the tool holder is positioned in a configuration which allows the tool holder to be aligned with the pattern to be printed. It can for example be pushed to the stop, as shown in Figure 4-F4b.
  • the 3D printing of the patterns 9 of the first support are printed with the 3D printer, as illustrated in Figure 4-F4c.
  • the second support After having detached the tool holder from the 3D printer, and after having detached the second support from the tool holder, with the 9 3D printed patterns, the second support, with the 9 3D printed patterns, is positioned in the anchor of the first part A of the first support, between the first part A and the second part B of the first support, as illustrated in FIGS. 4-F4d, 4-F4e and 4-F4f.
  • the FM male plugs of the second part B of the first support are configured to enter the FF female plugs of the first part A of the first support, to encapsulate the substrate of the second support, as illustrated in Figures 4-F4d, 4-F4e and 4-F4f.
  • the substrate of the second support is anchored in the first part A of the first support, while the second part B of the first support serves as a wrapper.
  • the second part B instead of the first part A, of the first support, can serve as an encapsulator, while the first part A of the first support is configured to embed the substrate of the second support therein.
  • the method according to the invention comprises furthermore, according to a complementary mode of implementation, a step 102 of replicating the master mold 1 to produce a first secondary mold 11 from the master mold 1 and to produce a second secondary mold 12 from the first secondary mold 11.
  • This step 102 of replicating the master mold will now be described in detail, with reference to FIGS. F6a, F6b, F6c, F6d, F6e in FIG. 6.
  • the sub-step of producing a first secondary mold comprises a sub-sub-step, illustrated in FIG. 6-F6a, for positioning the master mold inside a container 13 , and a sub-sub-step, illustrated in FIG. 6-F6b, of depositing on the master mold, in the container 13, a first secondary material 14 in the viscous phase.
  • the first secondary material 14 is a crosslinkable material, preferably a silicone rubber.
  • the sub-step of producing a first secondary mold 11 further comprises a sub-sub-step of evacuating an interior volume of the container 13 in which the master mold is positioned, and a sub-sub-step of annealing of the first secondary material 14, at ambient temperature for example, for example for 24 hours, before a sub-sub-step, illustrated in FIG. 6-F6c, of removing the first secondary mold 11 formed by the first secondary material 14 deposited and crosslinked.
  • the first secondary material 14 remains flexible in the crosslinked phase; this makes it easier to remove, without destroying the master mold, the first secondary mold 11 formed by crosslinking the first secondary material 14.
  • the first secondary material 14 is a material compatible with the material used to produce the master mold.
  • the sub-step of producing a second secondary mold 12 comprises a sub-sub-step, illustrated in FIG. 6-F6d, of depositing a second secondary material 15, for example by liquid phase, on the first secondary mold 11, the second secondary material 15 being crosslinkable, and rigid in the solid crosslinked phase.
  • the sub-step of producing a second secondary mold 12 comprises a sub-sub-step, illustrated in FIG. 6- F6e, of removing the second secondary mold 12 formed by the second material secondary crosslinked.
  • the second secondary material 15 is a polyurethane resin.
  • the sub-step of producing a second secondary mold 12 further comprises a sub-sub-step for removing bubbles in the second secondary material 15 with a syringe cone, and a sub-sub-step annealing sub-step, for example at room temperature, for example for 2 hours, before the sub-sub-step for removing the second secondary mold 12.
  • the method according to the invention further comprises, according to a complementary embodiment illustrated by FIG. 7, a step 104 of producing one or more layers 17,18; the layers 17,18 are intended to be superimposed to form a microfluidic circuit 20.
  • step 104 of producing one or more layers 17,18 is preceded by a step 103 of producing an encapsulation mold 16, illustrated in FIG. 7-F7a.
  • the production step 103 of an encapsulation mold 16 comprises:
  • the new replication sub-step 1032 incorporates the characteristics indicated above for the replication step, starting from the master encapsulation mold to arrive at the encapsulation mold 12, 16
  • the new replication step comprises the production of a secondary encapsulation mold 11 and of an encapsulation mold 12, 16, the production of a secondary encapsulation mold 11 comprising a positioning of the master encapsulation mold 1 inside a container 13, and the deposition on the master encapsulation mold 1, in the container 13, of a first secondary material 14 in viscous phase.
  • the first secondary material 14 is crosslinkable, the first secondary material 14 preferably being a silicone rubber.
  • the production of the secondary encapsulation mold 11 further comprises evacuating an interior volume of the container 13 in which the master encapsulation mold 1 is positioned, and annealing the first material secondary 14, at room temperature for example, for example for 24 hours, before removal of the secondary encapsulation mold 11 formed by the first secondary material 14 deposited and crosslinked.
  • the first secondary material 14 remains flexible in the crosslinked phase, in order to make it easier to remove, without destroying the master encapsulation mold 1, from the secondary encapsulation mold 11 formed by crosslinking the first. secondary material 14.
  • the first secondary material 14 is a material compatible with the materials used to produce the master encapsulation mold 1.
  • the production of an encapsulation mold 12, 16 comprises the deposition of a second secondary material 15, for example in liquid phase, on the secondary encapsulation mold 11, the second secondary material 15 being crosslinkable and rigid in the solid crosslinked phase.
  • the production of the encapsulation mold 12, 16 comprises removing the encapsulation mold 12, 16 formed by the second crosslinked secondary material 15.
  • the second secondary material 15 is a polyurethane resin.
  • producing the encapsulation mold 12, 16 further comprises removing bubbles in the second material. secondary 15 with a syringe cone, and annealing, for example at room temperature, for example for 2 hours, before the removal of the encapsulation mold 12, 16.
  • the production step 103 of the encapsulation mold 12, 16 is followed by a production step 104 of a first layer 17 of the microfluidic device 20.
  • the production step 104 comprises:
  • the molding material is a PDMS.
  • the annealing temperature is about 80 ° C. and the annealing time is about 1 hour.
  • the layers 17,18 are superimposed and fixed one on the other after having been aligned with respect to one another so as to form the microfluidic device in three dimensions.
  • patterns of one of the at least two layers being aligned with patterns of another of the at least two layers to form nodes distributed in 3 dimensions and microchannels, the microchannels the microchannels putting the nodes in fluid communication.
  • the layers are fixed to one another by being brought into contact with an oxygen plasma, for example for one minute.
  • the layers 17, 18 of the microfluidic device 20 are defined during a first computer-aided design step 110, as a function of a three-dimensional architecture of the microfluidic device 20; master mold 1 and master encapsulation mold are defined for each layer 17, 18 during a second step lOlter of computer aided design.
  • the invention relates to a master mold 1, obtained by the method according to the invention and comprising:
  • the second support comprising a substrate 3 and microstructures 4, the substrate 3 having a first face and a second face opposite to the first, the microstructures being formed on the first face of the substrate 3, the dimensions of the first support2 being adjusted to the dimensions of the substrate 3 to contain the substrate 3, the microstructures 4 being aligned with printed patterns of the first support 2.
  • the microstructures have at least one dimension less than 30 microns.
  • the substrate is made of silicon.
  • the microstructures are formed by photolithography, or by a process having an equivalent resolution.
  • the master mold is obtained by implementing the method according to the invention.
  • the invention also relates to a flexible secondary mold 11 for manufacturing a microfluidic device 20, the flexible secondary mold 11 being a replication of the master mold 1 in a first crosslinkable material which is flexible after having crosslinked.
  • the first crosslinkable material which is flexible after having crosslinked is one of a silicone rubber, a polyurethane, an elastomer, a flexible foam, a plastiline.
  • the invention also relates to a rigid secondary mold 12 for manufacturing a microfluidic device 20, the rigid secondary mold 12 being a replication of the flexible secondary mold 11 according to one aspect of the invention, in a second crosslinkable material, which is rigid after having crosslinked.
  • the second crosslinkable material which is rigid after having crosslinked is one of a polyurethane resin, a crosslinkable resin, a hardening gel, a hardening foam, a plastic, a glue.
  • the invention also relates to a layer 17, 18 for the manufacture of a microfluidic device 20, said layer 17, 18 being a replication of the rigid secondary mold 11, in a third crosslinkable material.
  • the third crosslinkable material is one from among a polydimethylsolixane (PDMS), a silicone, an adhesive, an elastomer, a flexible foam, a plastiline.
  • PDMS polydimethylsolixane
  • the invention also relates to a microfluidic device 20 comprising at least two layers 17, 18 according to one aspect of the invention, the at least two layers 17,18 being placed and fixed one on the other, patterns of one of the at least two layers being aligned with patterns of another of the at least two layers to form nodes distributed in 3 dimensions and microchannels, the microchannels putting the nodes in fluid communication.
  • the master molds which do not require the formation of microstructures, that is to say of structures whose smallest dimension is less than the resolution of the 3D printer, for example less than 30 ⁇ m, are produced by 3D printing, while those which require the formation of microstructures are produced by the method according to the invention, which combines 3D printing with photolithography or a method of precision and equivalent resolution.
  • the second secondary mold and the corresponding encapsulation mold preferably rigid, can be rapidly reproduced, in large quantities and with the same level of detail as the master mold and the master encapsulation mold, from respectively the first secondary mold and secondary encapsulation mold, flexible of preferences.
  • the invention allows rapid prototyping, since it uses the design and manufacturing advantages of 3D printing.
  • the longest time is the manufacture of the master mold and of the second support with its microstructures, ie around 24 hours, and of the impression in the form of the first flexible secondary mold, also around 24 hours.
  • the reproduction of the molds, in the form of the second, secondary, rigid molds takes only about 1 hour, and the molding of the layers of the microfluidic device takes only about 2 hours.

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Abstract

Procédé de fabrication de dispositifs microfluidiques 3D Procédé (100) de fabrication d'un dispositif microfluidique (20), le procédé comprenant une étape de production (101) d'un moule maître (1), le moule-maître (1) comprenant un premier support (2) et un deuxième support (8), le deuxième support comprenant un substrat (3) et des microstructures (4), le substrat (3) ayant une première face et une deuxième face opposée à la première, l'étape de production du moule maître comprenant les sous-étapes suivantes: - réalisation (1011) du deuxième support (8) en formant les microstructures (4) sur la première face du substrat (3); - impression (1012) en trois dimensions du premier support (2) sur une imprimante 3D, avec une résine d'impression,les dimensions du premier support (2) étant ajustées aux dimensions du substrat (3) pour contenir le substrat (3); - insertion (1014) du substrat du deuxième support (8) dans le premier support.

Description

DESCRIPTION
TITRE : Procédé de fabrication de dispositifs microfluidiques 3D
La présente invention concerne le domaine des dispositifs microfluidiques et en particulier un procédé de fabrication de tels dispositifs.
Les dispositifs microfluidiques servent à reproduire des systèmes qui manipulent de petits volumes de fluides, en utilisant des canaux de la dimension de quelques micromètres. Pour les applications en biologie, il est connu d'utiliser le moulage du polydiméthylsiloxane (PDMS) sur des substrats sur lesquels on a fait l'empreinte des microcanaux en photolithographie pour faire des dispositifs en deux dimensions. L'impression 3D pourrait permettre de réaliser des dispositifs plus complexes en trois dimensions, mais la résolution de l'impression 3D n'est pas suffisante pour produire les dispositifs microfluidiques recherchés, et les matériaux utilisés en impression 3D ne sont pas compatibles avec les conditions d'emploi de ces dispositifs pour des essais en biologie. D'autre part, les procédés existants de fabrication de ces dispositifs sont peu efficaces en temps, et ne peuvent être adaptés à une production en grande quantité.
L'invention a donc pour but de proposer une solution à tout ou partie de ces problèmes.
A cet effet, la présente invention concerne un procédé de fabrication d'un dispositif microfluidique, le procédé comprenant une étape de production d'un moule maître, le moule-maître comprenant un premier support et un deuxième support, le deuxième support comprenant un substrat et des microstructures, le substrat ayant une première face et une deuxième face opposée à la première, l'étape de production du moule maître comprenant les sous-étapes suivantes :
- réalisation du deuxième support en formant les microstructures sur la première face du substrat;
- impression en trois dimensions du premier support sur une imprimante 3D, avec une résine d'impression, les dimensions du premier support étant ajustées aux dimensions du substrat pour contenir le substrat;
- insertion du substrat du deuxième support dans le premier support. Selon un mode de mise en œuvre, l'invention comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, seules ou en combinaison.
Selon un mode de mise en œuvre, les microstructures ont au moins une dimension inférieure à 30 microns.
Selon un mode de mise en œuvre, le substrat est en silicium.
Selon ces dispositions un moule maître est produit en combinant un procédé d'impression 3D pour la réalisation des motifs dont les dimensions sont submillimétriques ou millimétriques et la micro structuration, de préférence par photolithographie ou micro gravure sur un substrat en silicium, ou par tout autre procédé équivalent, pour la formation de motifs micrométriques ou submicrométriques.
Selon un mode de mise en œuvre, l'étape d'impression en trois dimensions du premier support, comprend :
- une sous-étape d'arrêt de l'impression du premier support en fonction d'une hauteur du premier support imprimé, avant l'étape d'insertion du substrat du deuxième support dans le premier support, et
- une sous-étape de poursuite de l'impression du premier support à partir de la hauteur du premier support, les microstructures étant alignées avec des motifs imprimés du premier support, la sous-étape de poursuite étant réalisée après l'étape d'insertion.
Selon un mode de mise en œuvre, le deuxième support est partiellement encapsulé par le premier support au cours de la sous-étape de poursuite de l'impression 3-D du premier support.
Selon ces dispositions le deuxième support est mieux fixé au premier support, le deuxième support ne pouvant plus bouger par rapport au premier support. D'autre part les dimensions de la couche supplémentaire du premier support ne sont pas contraintes par les dimensions du deuxième support qui est encapsulé.
Selon ces dispositions, le substrat de silicium est englobé. Le substrat de silicium est protégé et risque moins d'être brisé lors de l'insertion dans le premier support. Les différentes parties sont alignées entre elles par construction, et il n'y a aucun problème d'interconnexion entre les différentes parties.
Selon un mode de mise en œuvre alternatif, le premier support comprend une première partie et une deuxième partie, les dimensions respectives de la première partie et de la deuxième partie étant ajustées aux dimensions du substrat du deuxième support pour que le substrat du deuxième support s'insère dans un encastrement du premier support, l'encastrement étant formé entre la première partie et la deuxième partie du premier support, l'étape d'impression en trois dimensions du premier support comprend :
une sous-étape d'impression de la première partie du premier support, et
une sous-étape d'impression de la deuxième partie du premier support.
Ce mode de mise en œuvre alternatif présente l'avantage de remédier à certaines restrictions de zone d'exposition des imprimantes 3D.
Selon les dispositions de ce mode de mise en œuvre alternatif, il est possible de créer des cadres plus grands, dans la limite des dimensions imposées par l'imprimante 3D. Il est également possible de réutiliser le premier support pour plusieurs substrats de silicium. Aucune étape d'arrêt n'est nécessaire durant l'impression 3D puisque tout est assemblé manuellement.
Selon un mode de mise en œuvre :
- la première face et la deuxième face du substrat sont distantes d'une épaisseur du substrat
- l'impression du premier support est arrêté dès qu'une hauteur totale, égale à une somme d'une épaisseur d'un fond du premier support imprimé, ajoutée à l'épaisseur du substrat du deuxième support, est supérieure à la hauteur du premier support imprimé, d'une valeur égale ou inférieure à un seuil prédéterminé ;
- l'insertion du substrat du deuxième support dans le premier support fait reposer la deuxième face du substrat sur le fond du premier support;
- le procédé comprenant en outre la sous-étape suivante :
- après la réalisation du deuxième support, découpe du substrat du deuxième support autour des microstructures, les dimensions du premier support étant ajustées aux dimensions du substrat découpé, pour contenir le substrat découpé. Selon un mode de mise en œuvre, l'étape de production du moule maître comprend en outre les sous-étapes suivantes :
- positionnement d'un porte-outil de l'imprimante 3D à une position déterminée, avant l'étape d'impression;
- extraction du porte-outil de l'imprimante 3D, après l'étape d'arrêt de l'impression, et avant l'étape d'insertion ;
- ajout de résine sur la première face du substrat du deuxième support, après l'étape d'insertion ;
- positionnement du porte-outil à la position déterminée, avant de poursuivre l'impression.
Selon ces dispositions, l'étape d'insertion du deuxième support dans le premier support est rendue plus facile, compte tenu du caractère ajusté des dimensions du deuxième support relativement à celles du premier support.
Selon ces dispositions, l'étape d'ajout de résine sur la surface du substrat de silicium évite l'apparition de bulles durant l'impression. Selon un mode de mise en œuvre, à l'étape de réalisation du deuxième support, la formation des microstructures comprend la mise en œuvre de l'une des techniques parmi la photolithographie, la gravure humide ou sèche de wafer, la technologie 2 photons, l'impression 3D avec une résolution comparable à celle de la photolithographie.
Selon un mode de mise en œuvre, les dimensions du premier support sont ajustées aux dimensions du substrat découpé, une largeur et une longueur du premier support étant supérieures respectivement à une largeur et une longueur du substrat découpé du deuxième support, d'une valeur égale à une marge de tolérance déterminée.
Selon un mode de mise en œuvre, la marge de tolérance pour la largeur et la longueur du premier support est inférieure respectivement à 0,25 % de la largeur du premier support et à 0,25 % de la longueur du premier support. Selon un mode de mise en œuvre, la marge de tolérance est déterminée en fonction d'une précision du dimensionnement des microstructures formées sur le deuxième support, soit par exemple une marge de tolérance déterminée 100 pm.
Selon un mode de mise en œuvre, le procédé comprend en outre une étape de réplication du moule maître pour produire un premier moule secondaire à partir du moule maître et pour produire un deuxième moule secondaire à partir du premier moule secondaire.
Selon un mode de mise en œuvre, l'étape de réplication comprend une sous-étape de production d'un premier moule secondaire et une sous-étape de production d'un deuxième moule secondaire, la sous-étape de production d'un premier moule secondaire comprenant un sous-sous-étape de positionnement du moule maître à l'intérieur d'un récipient, et une sous-sous-étape de dépôt sur le moule maître, dans le récipient, d'un premier matériau secondaire en phase visqueuse.
Selon un mode de réalisation, le premier matériau secondaire est réticulable, le premier matériau secondaire étant de préférence un caoutchouc silicone.
Selon un mode de mise en œuvre, la sous-étape de production d'un premier moule secondaire comprend en outre une sous-sous-étape de mise sous vide d'un volume intérieur du récipient dans lequel le moule maître est positionné, et une sous-sous-étape de recuit du premier matériau secondaire à température ambiante par exemple, par exemple pendant 24 heures, avant une sous-sous-étape d'enlèvement du premier moule secondaire formé par le premier matériau secondaire déposé et réticulé.
Selon un mode de mise en œuvre, le premier matériau secondaire reste flexible en phase réticulée, afin de rendre plus aisée l'enlèvement, sans détruire le moule maître, du premier moule secondaire formé par réticulation du premier matériau secondaire.
Selon un mode de mise en œuvre, le premier matériau secondaire est un matériau compatible avec les matériaux utilisés pour produire le moule maître. Selon un mode de mise en œuvre, la sous-étape de production d'un deuxième moule secondaire comprend une sous-sous-étape de dépôt d'un deuxième matériau secondaire, par exemple en phase liquide, sur le premier moule secondaire, le deuxième matériau secondaire étant réticulable et rigide en phase réticulée solide.
Selon un mode de mise en œuvre, la sous-étape de production d'un deuxième moule secondaire comprend une sous-sous-étape d'enlèvement du deuxième moule secondaire formé par le deuxième matériau secondaire réticulé.
Selon un mode de mise en œuvre le deuxième matériau secondaire est une résine polyuréthane.
Selon un mode de mise en œuvre, la sous-étape de production d'un deuxième moule secondaire comprend en outre une sous-sous-étape d'enlèvement de bulles dans le deuxième matériau secondaire avec un cône de seringue, et une sous- sous-étape de recuit, par exemple à température ambiante, par exemple pendant 2 heures, avant la sous-sous-étape d'enlèvement du deuxième moule secondaire.
Selon un mode de mise en œuvre, le dispositif microfluidique comprend au moins une couche, et le procédé comprend :
- une étape de production d'un moule d'encapsulation configuré pour coopérer avec le deuxième moule secondaire dans une étape de production de l'au moins une couche, et
- une étape de production de l'au moins une couche,
l'étape de production d'un moule d'encapsulation comprenant :
- une sous-étape d'impression 3D d'un moule maître d'encapsulation,
- une sous-étape de nouvelle réplication du moule maître d'encapsulation pour produire un moule secondaire d'encapsulation et le moule d'encapsulation à partir du moule secondaire d'encapsulation.
Selon un mode de mise en œuvre, la sous-étape de nouvelle réplication reprend les caractéristiques indiquées ci-dessus pour l'étape de réplication, en partant du moule maître d'encapsulation pour arriver au moule d'encapsulation.
Ainsi selon un mode de mise en œuvre, l'étape de réplication comprend la production d'un moule secondaire d'encapsulation et d'un moule d'encapsulation, la production d'un moule secondaire d'encapsulation comprenant un positionnement du moule maître d'encapsulation à l'intérieur d'un récipient, et le dépôt sur le moule maître d'encapsulation, dans le récipient, d'un premier matériau secondaire en phase visqueuse.
Selon un mode de réalisation, le premier matériau secondaire est réticulable, le premier matériau secondaire étant de préférence un caoutchouc silicone.
Selon un mode de mise en œuvre, la production du moule secondaire d'encapsulation comprend en outre une mise sous vide d'un volume intérieur du récipient dans lequel le moule maître d'encapsulation est positionné, et un recuit du premier matériau secondaire, à température ambiante par exemple, par exemple pendant 24 heures, avant l'enlèvement du moule secondaire d'encapsulation formé par le premier matériau secondaire déposé et réticulé.
Selon un mode de mise en œuvre, le premier matériau secondaire reste flexible en phase réticulée, afin de rendre plus aisée l'enlèvement, sans détruire le moule maître d'encapsulation, du moule secondaire d'encapsulation formé par réticulation du premier matériau secondaire.
Selon un mode de mise en œuvre, le premier matériau secondaire est un matériau compatible avec les matériaux utilisés pour produire le moule maître d'encapsulation.
Selon un mode de mise en œuvre, la production d'un moule d'encapsulation comprend le dépôt d'un deuxième matériau secondaire, par exemple en phase liquide, sur le moule secondaire d'encapsulation, le deuxième matériau secondaire étant réticulable et rigide en phase réticulée solide.
Selon un mode de mise en œuvre, la production du moule d'encapsulation comprend l'enlèvement du moule d'encapsulation formé par le deuxième matériau secondaire réticulé.
Selon un mode de mise en œuvre le deuxième matériau secondaire est une résine polyuréthane. Selon un mode de mise en œuvre, la production du moule d'encapsulation comprend en outre l'enlèvement de bulles dans le deuxième matériau secondaire avec un cône de seringue, et un recuit, par exemple à température ambiante, par exemple pendant 2 heures, avant l'enlèvement du moule d'encapsulation.
Selon un mode de mise en œuvre, l'étape de production de l'au moins une couche comprend :
- une sous-étape de moulage de l'au moins une couche en déposant un matériau de moulage, entre le deuxième moule secondaire et le moule d'encapsulation, le moule d'encapsulation et le deuxième moule secondaire étant pressé l'un contre l'autre de manière à assurer un contact surfacique entre des éléments hauts du deuxième moule secondaire et une surface du moule d'encapsulation,
- une sous-étape de recuit du matériau entre le deuxième moule secondaire et le moule d'encapsulation, à une température et pendant une durée déterminée.
Selon un mode de mise en œuvre, la couche est thermoformée, sur une première surface de la couche, au contact des structures et/ou des microstructures présentes sur le deuxième moule secondaire, et sur une deuxième surface de la couche, au contact des structures et/ou des microstructures présentes sur le moule d'encapsulation, le moule d'encapsulation ayant été lui-même préalablement obtenu par la réplication d'un moule-maître d'encapsulation structuré et/ou microstructuré.
Selon un mode de mise en œuvre, le matériau moulage est un PDMS.
Selon un mode de mise en œuvre, la température de recuit est d'environ 80°C et la durée de recuit d'environ 1 heure.
Selon un mode de mise en œuvre, l'au moins une couche comprend au moins deux couches, les couches de l'au moins deux couches étant superposées et fixées l'une sur l'autre après avoir été alignées l'une par rapport à l'autre de manière à former un dispositif microfluidique en trois dimensions.
Selon une mode de mise en œuvre, des motifs de l'une des au moins deux couches étant alignés avec des motifs d'une autre des au moins deux couches pour former des nœuds répartis selon 3 dimensions et des microcanaux, les microcanaux les microcanaux mettant les nœuds en communication fluidique. Selon un mode de mise en œuvre, les couches sont fixées l'une sur l'autre en étant mise au contact d'un plasma d'oxygène, pendant par exemple une minute.
Selon un mode de mise en œuvre, le procédé comprend une première étape de conception assistée par ordinateur de l'au moins une couche en fonction d'une architecture tridimensionnelle du dispositif microfluidique, et une deuxième étape de conception assistée par ordinateur du moule maître et du moule maître d'encapsulation en fonction de la définition de l'au moins une couche. Selon un aspect de l'invention, l'invention concerne également un moule- maître pour la fabrication d'un dispositif microfluidique, le moule maître comprenant :
- un premier support, produit par impression 3D, et
- un deuxième support, le deuxième support comprenant un substrat et des microstructures, le substrat ayant une première face et une deuxième face opposée à la première, les microstructures étant formées sur la première face du substrat, les dimensions du premier support étant ajustées aux dimensions du substrat pour contenir le substrat, les microstructures étant alignées avec des motifs imprimés du premier support. Selon un mode de réalisation, le moule maître comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, seules ou en combinaison.
Selon un mode réalisation, les microstructures ont au moins une dimension inférieure à 30 microns.
Selon un mode de réalisation, le substrat est en silicium.
Selon un mode de réalisation, les microstructures sont formées par photolithographie, ou par un procédé ayant une résolution équivalente.
Selon un mode de réalisation, le deuxième support est partiellement encapsulé par le premier support.
Selon ces dispositions le deuxième support est mieux fixé au premier support, le deuxième support ne pouvant plus bouger par rapport au premier support. D'autre part les dimensions de la couche supplémentaire du premier support ne sont pas contraintes par les dimensions du deuxième support qui est encapsulé.
Selon un mode de réalisation, le moule-maître est obtenu par la mise en œuvre du procédé selon l'invention.
Selon un aspect de l'invention, l'invention concerne également un moule secondaire flexible pour la fabrication d'un dispositif microfluidique, le moule secondaire flexible étant une réplication du moule-maître selon un aspect de l'invention dans un premier matériau réticulable qui est flexible après avoir réticulé.
Selon un mode de réalisation, le premier matériau est compatible avec le matériau du moule-maître, etest déposé en phase liquide ou gel sur le moule-maître, et est flexible après avoir réticulé en phase solide.
Selon un mode de réalisation, le premier matériau est l'un parmi un caoutchouc silicone, un polyuréthane, un polydiméthylsolixane (PDMS), une colle, un élastomère, une mousse flexible, une plastiline.
Selon un aspect de l'invention, l'invention concerne également un moule secondaire rigide pour la fabrication d'un dispositif microfluidique, le moule secondaire rigide étant une réplication du moule secondaire flexible selon un aspect de l'invention, dans un deuxième matériau réticulable, qui est rigide après avoir réticulé.
Selon un mode de réalisation, le deuxième matériau est compatible avec le matériau du moule secondaire flexible et est déposé en phase liquide ou gel sur le moule secondaire flexible, etest rigide après avoir réticulé en phase solide.
Selon un mode de réalisation, le deuxième matériau est l'un parmi une résine polyuréthane, une résine réticulable, un gel durcissant, une mousse durcissante, un plastique, une colle.
Selon un aspect de l'invention, l'invention concerne également une couche pour la fabrication d'un dispositif microfluidique, couche étant une réplication du moule secondaire rigide selon un aspect de l'invention, dans un troisième matériau réticulable. Selon un mode de réalisation, le troisième matériau est compatible avec le matériau du moule secondaire rigide, et est déposé en phase liquide ou gel sur le moule secondaire rigide. Selon un mode de réalisation, le troisième matériau est l'un parmi un polyuréthane, un polydiméthylsolixane (PDMS), un caoutchouc silicone, une colle, un élastomère, une mousse flexible, une plastiline.
Selon un aspect de l'invention, l'invention concerne également un dispositif microfluidique comprenant au moins deux couches selon un aspect de l'invention, les au moins deux couches étant posées et fixées l'une sur l'autre, des motifs de l'une des au moins deux couches étant alignés avec des motifs d'une autre des au moins deux couches pour former des nœuds répartis selon 3 dimensions et des microcanaux, les microcanaux mettant les nœuds en communication fluidique.
Selon ces dispositions, les moules maîtres qui ne nécessitent pas la formation de microstructures, c'est-à-dire de structures dont la plus petite dimension est inférieure à la résolution de l'imprimante 3D, par exemple inférieure à 30 pm, sont réalisés par impression 3D, tandis que ceux qui nécessitent la formation de microstructures sont réalisées par le procédé selon l'invention, qui combine l'impression 3D avec la photolithographie ou un procédé de précision et de résolution équivalente.
Selon ces dispositions le deuxième moule secondaire et le moule d'encapsulation correspondant, rigides de préférence, peuvent être rapidement reproduits, en grande quantité et avec le même niveau de détail que le moule maître et le moule maître d'encapsulation, à partir respectivement du premier moule secondaire et du moule secondaire d'encapsulation, flexibles de préférences. Ainsi, l'invention permet de faire du prototypage rapide car elle utilise les avantages de conception et de fabrication de l'impression 3D. Le temps le plus long est la fabrication du moule maître et du deuxième support avec ses microstructures, soit environ 24 heures, et de l'empreinte sous la forme du premier moule secondaire flexible, environ 24 heures également. La reproduction des moules, sous la forme des deuxièmes moules secondaires, rigides, prend seulement environ 1 heure, et le moulage des couches du dispositif microfluidique prend seulement environ 2 heures. Ces dernières opérations, moins coûteuses en temps, peuvent être réalisées en parallèle.
Ces dispositions permettent de réaliser plus efficacement des dispositifs microfluidiques 3D, donc beaucoup plus complexe que les dispositifs 2D conventionnels.
La combinaison de deux technologies conventionnelles, impression 3D et photolithographie ou procédé de résolution équivalente, permet d'obtenir à la fois la très haute résolution, inférieure au micron, de la deuxième méthode et les facilités d'emploi de l'impression 3D pour la production d'objets centimétriques.
Les équipements initiaux pour la fabrication des dispositifs sont standards et donc peu onéreux, environ 50k€, comparé à des équipements d'impression 3D très haute résolution, environ 200k€. De plus, la reproduction de moules et la fabrication des dispositifs se font avec des quantités contrôlées qui permettent de ne pas avoir de perte de matière contrairement aux méthodes classiques de fabrication de tels dispositifs. Le procédé selon l'invention est donc plus économique. La structure même des différentes parties des moules maîtres, ainsi que la méthode de fabrication, peuvent être standardisés pour que les modifications entre chaque type de dispositif aient un impact mineur en temps de conception et fabrication.
La compatibilité entre le PDMS et les matériaux d'impression 3D n'est pas bonne, à cause du problème du PMDS non réticulé. Cependant, en passant par des étapes intermédiaires avec différents matériaux, on peut utiliser le meilleur matériau adapté à notre application, dans notre cas le PMDS pour la biologie, mais on peut envisager d'autres matériaux (silicones) pour d'autres applications. Contrairement aux dispositifs microfluidiques commerciaux 2D actuellement vendus, les dispositifs réalisés ne peuvent être reproduits par empreinte et remoulage car une empreinte 3D nécessiterait forcement la destruction du moulage lors de l'extraction de l'empreinte. Pour sa bonne compréhension, un mode de réalisation de l'invention est décrit en référence aux dessins ci-annexés représentant, à titre d'exemple non limitatif, une forme de réalisation d'un dispositif selon l'invention. Les mêmes références sur les dessins désignent des éléments similaires ou des éléments dont les fonctions sont similaires.
[Fig. 1] est une illustration des sous-étapes de l'étape de production d'un moule maître par impression 3D (Fia, Flb, Fie, Fld, Fie, Flf, Fig),
[Fig. 2] est une représentation des dimensions respectives du premier support et du substrat du deuxième support (F2a, F2b),
[Fig. 3] est une représentation d'une première partie et d'une deuxième partie du premier support, selon une variante de de l'étape de production d'un moule maître par impression 3D,
[Fig. 4] est une illustration des sous-étapes d'une variante de l'étape de production d'un moule maître par impression 3D (F4a, F4b, F4c, F4d, F4e, F4f),
[Fig. 5] est une représentation des dimensions respectives du premier support et du substrat du deuxième support selon la variante de de l'étape de production d'un moule maître par impression 3D,
[Fig. 6] est une illustration des sous-étapes de l'étape de réplication d'un moule-maître (F6a, F6b, F6c, F6d, F6e).
[Fig. 7] est une illustration de l'étape de production d'une couche d'un dispositif microfluidique (F7a, F7b), et de l'étape de superposition de deux couches pour former le dispositif microfluidique 3D (F7c, F7d).
[Fig. 8] est une représentation schématique du procédé selon l'invention.
Le procédé selon l'invention consiste à coupler des substrats microstructurés avec des motifs submillimétriques ou millimétriques directement imprimés et alignés par impression 3D afin de faire un moule maître, qui pourra être répliqué ensuite pour créer des moules « secondaires » qui serviront à mouler les différentes couches d'un dispositif microfluidique final. L'utilisation de deux moules successifs permet une compatibilité de moulage de l'élastomère polydiméthylsiloxane (PDMS), qui ne réticule pas sur le moule maître, mais seulement sur un moule secondaire.
Par convention, un matériau est dit réticulable s'il est capable de réticuler, i.e. s'il est capable de passer d'un état pâteux et visqueux du matériau, à un état solide du matériau, par polymérisation du matériau. Par phase réticulée, nous désignerons l'état solide du matériau obtenu après polymérisation.
Par convention, la compatibilité de moulage se définit ici comme la propriété d'un matériau, par exemple le PDMS, qui permet au matériau de réticuler au contact d'un autre matériau, celui d'un moule par exemple, sans que le contact entre le matériau et l'autre matériau ne provoque une réaction ou une interférence chimique entre les deux matériaux. En ce sens, il est important que le matériau du moule secondaire soit compatible du PDMS.
Le dispositif microfluidique est scindé en plusieurs couches dont chacune sera moulée par le dit procédé. Ces couches de PDMS seront ensuite assemblées par auto-alignement pour former un dispositif microfluidiques 3D.
Une description détaillée d'un mode de mise en œuvre du procédé selon l'invention va maintenant être faite, en commençant par les étapes de réalisation d'un moule-maître, en référence à la figure 1, qui comprend différentes sous-figures Fia, Flb, Fie, Fld, Fle,Flf, et Fig et à la figure 2, qui comprend également différentes sous- figures F2a et F2b, ainsi qu'à la figure 8.
Le moule-maître 1, représenté sur Fig, comprend un premier support 2 et un deuxième support 8, le deuxième support 8 comprenant un substrat 3 et des microstructures 4 formées sur une face du substrat 3.
Le substrat 3 du deuxième support 8 est, par exemple, réalisé en silicium.
Au cours d'une première étape 1011, les microstructures 4 sont formées à la surface d'une face du substrat 3 en utilisant par exemple des techniques conventionnelles, par exemple la photolithographie sur silicium. On entend par microstructures des formes structurées qui ont au moins une dimension inférieure à 30 pm.
La réalisation du moule-maître comprend ensuite les étapes suivantes :
- impression 1012 en trois dimensions du premier support 2 sur une imprimante 3D 7, représentée sur la figure 1 (Fia, et Flb à f) ; l'impression 3D se fait par exemple avec une résine d'impression, les dimensions du premier support 2 étant ajustées aux dimensions du substrat 3 du deuxième support 8, pour permettre de contenir le substrat 3;
- insertion 1014 du substrat du deuxième support 8 dans le premier support.
Selon un mode de mise en œuvre du procédé selon l'invention, l'étape d'impression 1012 en trois dimensions (3D) du premier support 2, comprend :
- une sous-étape d'arrêt 1013 de l'impression 3D du premier support 2, en fonction d'une hauteur du premier support 2 imprimé, avant l'étape d'insertion 1014 du substrat du deuxième support 8 dans le premier support 2, et - une sous-étape de poursuite 1015 de l'impression du premier support à partir de la hauteur du premier support 2, les microstructures 4 étant alignées avec des motifs imprimés du premier support 2, la sous-étape de poursuite de l'impression 3D étant réalisée après l'étape d'insertion 1014.
Ainsi, l'impression 3D du premier support est arrêté 1013, comme cela est illustré à la figure 1-Flc, pour permettre l'insertion 1014 du deuxième support 8 dans le premier support 2. Selon ce mode de réalisation l'arrêt de l'impression 3D est déterminé en fonction d'une hauteur Htot des bords du premier support. Par exemple, lorsque cette hauteur Htot est supérieure à la somme d'une épaisseur Ef du fond du premier support 2 et d'une épaisseur du substrat du deuxième support 8, alors l'impression 3D du premier support est interrompue, et le deuxième support 8 est inséré à l'intérieur du premier support 2 avant de poursuivre l'impression 3D du premier support 2.
Avantageusement la hauteur Htot des bords à l'arrêt de l'impression 3D sera suffisante pour permettre d'encapsuler le substrat 3. Ainsi, on pourra envisager d'arrêter 1013 l'impression 3D lorsque la hauteur Htot est égale à 3 mm, soit plus de 99 niveaux d'impression 3D pour une couche d'impression de 30 pm par niveau ; ceci permettra d'avoir une rigidité suffisante des bords afin d'éviter l'apparition de contraintes sur le substrat.
Selon un mode de mise en œuvre, avant l'insertion 1014 du deuxième support 8 dans le premier support 2, le deuxième support 8 est découpé lOllbis du autour des microstructures 4, les dimensions du premier support 2 étant ajustées aux dimensions du substrat 3 découpé, pour contenir le substrat 3 découpé.
Selon un mode de mise en œuvre, avant l'étape d'impression 1012, un porte-outil 5 de l'imprimante 3D 7 est positionné lOllter à une position déterminée, reproductible après une extraction du porte-outil 5 de l'imprimante 3D 7;
Après l'étape d'arrêt de l'impression 1013, le porte-outil 5 est extrait 1013bis de l'imprimante 3D, comme cela est illustré sur la figure 1-Fld, de manière à faciliter l'insertion 1014 du deuxième support 8 dans le premier support 2;
De la résine peut alors être ajoutée 1014bis sur la première face du substrat du deuxième support 8, après l'étape d'insertion 1014;
Le porte-outil 5 peut ensuite être repositionné à la position déterminée sur l'imprimante 3D 7, comme illustré sur la figure 1-Flc, avant de poursuivre l'impression 3D 1015, comme illustré sur la figure 1-Flf;
Selon un mode de mise en œuvre, les dimensions du premier support 2 sont ajustées aux dimensions du substrat découpé 3; une largeur et une longueur L2 du premier support sont supérieures respectivement à une largeur et une longueur du substrat découpé du deuxième support 8, d'une valeur égale à une marge de tolérance déterminée. La marge de tolérance pour la largeur et la longueur L2 du premier support est typiquement inférieure respectivement à 0,25 % de la largeur du premier support et à 0,25 % de la longueur L2 du premier support.
Selon un mode de mise en œuvre, la marge de tolérance est déterminée en fonction d'une précision du dimensionnement des microstructures formées sur le deuxième support 8. La marge de tolérance pourra être par exemple de 100 pm.
Selon un mode de mise en œuvre alternatif, ou variante, qui va maintenant être décrit en référence aux figures 3, 4 et 5, le premier support comprend une première partie A et une deuxième partie B, les dimensions respectives de la première partie A et de la deuxième partie B étant ajustées aux dimensions du substrat du deuxième support pour que le substrat du deuxième support s'insère dans un encastrement E du premier support, l'encastrement étant formé entre la première partie et la deuxième partie du premier support.
L'étape d'impression en trois dimensions du premier support comprend : une sous-étape d'impression 3D de la première partie A du premier support, et
une sous-étape d'impression 3D de la deuxième partie B du premier support.
Cette variante présente l'avantage de palier à la restriction de zone d'exposition des imprimantes 3D.
Selon un mode de réalisation de cette variante, le dimensionnement de la première partie A du premier support 2 est conditionné par les dimensions du deuxième support à insérer. Ainsi, :
- les bords de la première partie A sont de dimensions Ibord variables, avantageusement identiques, suffisamment larges pour que le deuximème support soit rigoureusement positionné au centre du carré incluant des marges de tolérances ; ces marges de tolérance permettent l'insertion ajustée du substrat du deuxième support pour aligner les motifs à imprimer en trois dimension, avec les motifs lithographiés ; ces marges de tolérance permettent en outre de prendre en compte les contraintes liées à la précision des dimensions du substrat. Par exemple, dans la configuration représentée sur la figure 5, les longueurs LSh du substrat sont choisies identiques pour avoir un dispositif carré, et toujours à titre d'exemple, on a choisi LChip=35 mm, LSUbstrat=40 mm, LSh=50 mm et LSh=40mm. La marge de tolérance d'insertion est donc, dans ce cas, contrainte par la précision de la découpe du support silicium dont la précision est de 50 pm. Cette tolérance est à prendre en compte à la conception sur le dimensionnement des motifs photolithographiés, comme illustré sur a figure 5 :
- l'encastrement E du substrat du deuxième support dans la deuxième partie B du premier support se fait à une profondeur équivalente à l'épaisseur du substrat avec une tolérance hSUbstrat et un recouvrement Ibord du substrat du deuxième support. Dans le cas présenté ici à titre d'exemple, l'épaisseur du substrat du deuxième support est hSUbstrat=550 pm et la largeur de recouvrement de ses bords est lbord=2,5 mm.
- des fiches femelle FF sont disposées sur la périphérie de la première partie A du premier support et sont configurées pour recevoir des fiches males FM disposées sur la deuxième partie B du premier support; chaque fiche femelle FF possède un diamètre dPjn=2 mm et une hauteur hPin=2,l mm prenant en compte une tolérance vis-à-vis de la fiche male FM correspondante.
Le substrat du deuxième support est découpé aux dimensions visées, par exemple avec une scie à disque.
Le positionnement et la fixation du substrat du deuxième support dans un évidement dimensionné et réalisé sur le porte-outil de l'imprimante 3D, comme illustré sur la figure 4-F4a. Les dimensions de l'évidement permettent par exemple de recevoir le substrat du deuxième support avec une précision de 50 pm au moins dans le plan du porte-outil, et avec une précision de 5 pm au moins dans un plan perpendiculaire au plan du porte-outil. Si l'imprimante dispose d'un mode de détection de surface, il n'y a pas besoin d'avoir un porte-outil adpaté car la surface du support de silicium servira de référence.
Le porte-outil est positionné dans une configuration qui permet au porte- outil d'être aligné avec le motif à imprimer. Il peut par exemple être poussé en buté, comme indiqué sur la figure 4-F4b.
L'impression en 3D des motifs 9 du premier support sont imprimés avec l'imprimante 3D, comme illustré sur la figure 4-F4c.
Après avoir détaché le porte-outil de l'imprimante 3D, et après avoir détaché le deuxième support du porte-outil, avec les motifs 9 imprimés en 3D, le deuxième support, avec les motifs 9 imprimés 3D, est positionné dans l'ancastrement de la première partie A du premier support, entre la première partie A et la deuxième partie B du premier support, comme cela est illustré sur les figures 4-F4d, 4-F4e et 4- F4f.
Les fiches males FM de la deuxième partie B du premier support sont configurées pour pénétrer dans les fiches femelles FF de la première partie A du premier support, pour encapsuler le substrat du deuxième support, comme illustré sur les figures 4-F4d, 4-F4e et 4-F4f.
Ainsi, selon le mode de mise en œuvre qui vient d'être décrit, le substrat du deuxième support, avec les motifs imprimés en 3D, s'ancre dans la première partie A du premier support, tandis que la deuxième partie B du premier support sert d'encapsuleur. Cependant, selon une autre variante, la deuxième partie B, au lieu de la première partie A, du premier support, peut servir d'encapsuleur, tandis la première partie A du premier support est configurée pour y encastrer le substrat du deuxième support.
Après les étapes de réalisation d'un moule-maître, qui viennent d'être décrites, selon plusieurs modes de mise en œuvre et en référence aux figures 1, 2, 3, 4, 5 et 8, le procédé selon l'invention comprend en outre, selon un mode de mise en œuvre complémentaire, une étape 102 de réplication du moule maître 1 pour produire un premier moule secondaire 11 à partir du moule maître 1 et pour produire un deuxième moule secondaire 12 à partir du premier moule secondaire 11. Cette étape 102 de réplication du moule maître sera maintenant décrite en détail, en référence aux figures F6a, F6b, F6c, F6d, F6e la figure 6.
Selon un mode de mise en œuvre, la sous-étape de production d'un premier moule secondaire comprend une sous-sous-étape, illustrée à la figure 6-F6a, de positionnement du moule maître à l'intérieur d'un récipient 13, et une sous-sous- étape, illustrée à la figure 6-F6b, de dépôt sur le moule maître, dans le récipient 13, d'un premier matériau secondaire 14 en phase visqueuse.
Le premier matériau secondaire 14 est un matériau réticulable, de préférence un caoutchouc silicone.
La sous-étape de production d'un premier moule secondaire 11 comprend en outre une sous-sous-étape de mise sous vide d'un volume intérieur du récipient 13 dans lequel le moule maître est positionné, et une sous-sous-étape de recuit du premier matériau secondaire 14, à température ambiante par exemple, par exemple pendant 24 heures, avant une sous-sous-étape, illustrée à la figure 6-F6c, d'enlèvement du premier moule secondaire 11 formé par le premier matériau secondaire 14 déposé et réticulé.
Selon un mode de mise en œuvre, le premier matériau secondaire 14 reste flexible en phase réticulée ; ceci permet de rendre plus aisée l'enlèvement, sans détruire le moule maître, du premier moule secondaire 11 formé par réticulation du premier matériau secondaire 14. Selon un mode de mise en œuvre, le premier matériau secondaire 14 est un matériau compatible avec le matériau utilisé pour produire le moule maître.
Selon un mode de mise en œuvre, la sous-étape de production d'un deuxième moule secondaire 12 comprend une sous-sous-étape, illustrée à la figure 6- F6d, de dépôt d'un deuxième matériau secondaire 15, par exemple en phase liquide, sur le premier moule secondaire 11, le deuxième matériau secondaire 15 étant réticulable, et rigide en phase réticulée solide.
Selon un mode de mise en œuvre, la sous-étape de production d'un deuxième moule secondaire 12 comprend une sous-sous-étape, illustrée à la figure 6- F6e, d'enlèvement du deuxième moule secondaire 12 formé par le deuxième matériau secondaire 15 réticulé.
Selon un mode de mise en œuvre le deuxième matériau secondaire 15 est une résine polyuréthane.
Selon un mode de mise en œuvre, la sous-étape de production d'un deuxième moule secondaire 12 comprend en outre une sous-sous-étape d'enlèvement de bulles dans le deuxième matériau secondaire 15 avec un cône de seringue, et une sous-sous-étape de recuit, par exemple à température ambiante, par exemple pendant 2 heures, avant la sous-sous-étape d'enlèvement du deuxième moule secondaire 12.
Après l'étape 102 de réplication du moule maître 1 pour produire un premier 11 puis un deuxième 12 moule secondaire, à partir du moule maître 1, le procédé selon l'invention comprend en outre, selon un mode de mise en œuvre complémentaire illustré par la figure 7, une étape 104 de production d'une ou plusieurs couches 17,18 ; les couches 17,18 sont destinées à être superposées pour former un circuit microfluidique 20.
Selon un mode de mise en œuvre, l'étape 104 de production d'une ou plusieurs couches 17,18, est précédée d'une étape 103 de production d'un moule d'encapsulation 16, illustré à la figure 7-F7a.
L'étape de production 103 d'un moule d'encapsulation 16 comprend :
- une sous-étape 1031 d'impression 3D d'un moule maître d'encapsulation,
- une sous-étape 1032 de nouvelle réplication du moule maître d'encapsulation pour produire un moule secondaire d'encapsulation et le moule d'encapsulation 16 à partir du moule secondaire d'encapsulation;
Selon un mode de mise en œuvre, la sous-étape 1032 de nouvelle réplication reprend les caractéristiques indiquées ci-dessus pour l'étape de réplication, en partant du moule maître d'encapsulation pour arriver au moule d'encapsulation 12, 16
Ainsi, selon un mode de mise en œuvre déjà décrit et illustré sur la figure 6, l'étape de nouvelle réplication comprend la production d'un moule secondaire d'encapsulation 11 et d'un moule d'encapsulation 12, 16, la production d'un moule secondaire d'encapsulation 11 comprenant un positionnement du moule maître d'encapsulation 1 à l'intérieur d'un récipient 13, et le dépôt sur le moule maître d'encapsulation 1, dans le récipient 13, d'un premier matériau secondaire 14 en phase visqueuse.
Selon un mode de réalisation, le premier matériau secondaire 14 est réticulable, le premier matériau secondaire 14 étant de préférence un caoutchouc silicone.
Selon un mode de mise en œuvre, la production du moule secondaire d'encapsulation 11 comprend en outre une mise sous vide d'un volume intérieur du récipient 13 dans lequel le moule maître d'encapsulation 1 est positionné, et un recuit du premier matériau secondaire 14, à température ambiante par exemple, par exemple pendant 24 heures, avant l'enlèvement du moule secondaire d'encapsulation 11 formé par le premier matériau secondaire 14 déposé et réticulé.
Selon un mode de mise en œuvre, le premier matériau secondaire 14 reste flexible en phase réticulée, afin de rendre plus aisée l'enlèvement, sans détruire le moule maître d'encapsulation 1, du moule secondaire d'encapsulation 11 formé par réticulation du premier matériau secondaire 14.
Selon un mode de mise en œuvre, le premier matériau secondaire 14 est un matériau compatible avec les matériaux utilisés pour produire le moule maître d'encapsulation 1.
Selon un mode de mise en œuvre, la production d'un moule d'encapsulation 12, 16 comprend le dépôt d'un deuxième matériau secondaire 15, par exemple en phase liquide, sur le moule secondaire d'encapsulation 11, le deuxième matériau secondaire 15 étant réticulable et rigide en phase réticulée solide.
Selon un mode de mise en œuvre, la production du moule d'encapsulation 12, 16 comprend l'enlèvement du moule d'encapsulation 12, 16 formé par le deuxième matériau secondaire 15 réticulé.
Selon un mode de mise en œuvre le deuxième matériau secondaire 15 est une résine polyuréthane.
Selon un mode de mise en œuvre, la production du moule d'encapsulation 12, 16 comprend en outre l'enlèvement de bulles dans le deuxième matériau secondaire 15 avec un cône de seringue, et un recuit, par exemple à température ambiante, par exemple pendant 2 heures, avant l'enlèvement du moule d'encapsulation 12, 16.
L'étape de production 103 du moule d'encapsulation 12, 16 est suivie d'une étape de production 104 d'une première couche 17 du dispositif microfluidique 20. Comme illustré sur la figure 7, l'étape 104 de production comprend :
- une sous-étape de moulage 1041 de l'au moins une couche, réalisée en déposant un matériau de moulage, entre le deuxième moule secondaire 12 et le moule d'encapsulation 12,16, le moule d'encapsulation 12,16 et le deuxième moule secondaire 12, étant pressé l'un contre l'autre de manière à assurer un contact surfacique entre des éléments hauts du deuxième moule secondaire 12 et une surface basse du moule d'encapsulation 12,16 ;
- une sous-étape de recuit 1042 du matériau de moulage entre le deuxième moule secondaire 12 et le moule d'encapsulation 12, 16, à une température et pendant une durée déterminées.
Selon un mode de mise en œuvre, le matériau moulage est un PDMS.
Selon un mode de mise en œuvre, la température de recuit est d'environ 80°C et la durée de recuit d'environ 1 heure.
Les étapes décrites précédemment du procédé selon l'invention, sont répétées autant de fois qu'il y a de couches 17, 18 à produire pour former le circuit microfluidique 20.
Les couches 17,18 sont superposées et fixées l'une sur l'autre après avoir été alignées l'une par rapport à l'autre de manière à former le dispositif microfluidique en trois dimensions.
Selon une mode de mise en œuvre, des motifs de l'une des au moins deux couches étant alignés avec des motifs d'une autre des au moins deux couches pour former des nœuds répartis selon 3 dimensions et des microcanaux, les microcanaux les microcanaux mettant les nœuds en communication fluidique.
Selon un mode de mise en œuvre, les couches sont fixées l'une sur l'autre en étant mise au contact d'un plasma d'oxygène, pendant par exemple une minute.
Selon un mode de mise en œuvre, les couches 17, 18 du dispositif microfluidique 20 sont définies au cours d'une première étape lOlbis de conception assistée par ordinateur, en fonction d'une architecture tridimensionnelle du dispositif microfluidique 20 ; le moule maître 1 et le moule maître d'encapsulation sont définis pour chaque couche 17, 18 au cours d'une deuxième étape lOlter de conception assistée par ordinateur.
Selon un aspect, l'invention concerne un moule maître 1, obtenu par le procédé selon l'invention et comprenant :
- un premier support 2, produit par impression 3D, et
- un deuxième support 8, le deuxième support comprenant un substrat 3 et des microstructures 4, le substrat 3 ayant une première face et une deuxième face opposée à la première, les microstructures étant formées sur la première face du substrat 3, les dimensions du premier support2 étant ajustées aux dimensions du substrat 3 pour contenir le substrat 3, les microstructures 4 étant alignées avec des motifs imprimés du premier support 2.
Selon un mode réalisation, les microstructures ont au moins une dimension inférieure à 30 microns.
Selon un mode de réalisation, le substrat est en silicium.
Selon un mode de réalisation, les microstructures sont formées par photolithographie, ou par un procédé ayant une résolution équivalente.
Le moule-maître est obtenu par la mise en œuvre du procédé selon l'invention.
Selon un autre aspect, l'invention concerne également un moule secondaire flexible 11 pour la fabrication d'un dispositif microfluidique 20, le moule secondaire flexible 11 étant une réplication du moule-maître 1 dans un premier matériau réticulable qui est flexible après avoir réticulé.
Selon un mode de mise en œuvre, le premier matériau réticulable qui est flexible après avoir réticulé est l'un parmi un caoutchouc silicone, un polyuréthane, élastomère, une mousse flexible, une plastiline.
Selon un autre aspect, l'invention concerne également un moule secondaire rigide 12 pour la fabrication d'un dispositif microfluidique 20, le moule secondaire rigide 12 étant une réplication du moule secondaire flexible 11 selon la un aspect de l'invention, dans un deuxième matériau réticulable, qui est rigide après avoir réticulé.
Selon un mode de mise en œuvre, le deuxième matériau réticulable qui est rigide après avoir réticulé est l'un parmi une résine polyuréthane, une résine réticulable, un gel durcissant, une mousse durcissante, un plastique, une colle. Selon un autre aspect, l'invention concerne également une couche 17, 18 pour la fabrication d'un dispositif microfluidique 20, ladite couche 17, 18 étant une réplication du moule secondaire rigide 11, dans un troisième matériau réticulable.
Selon un mode de mise en œuvre, le troisième matériau réticulable est l'un parmi un polydiméthylsolixane (PDMS), un silicone, une colle, un élastomère, une mousse flexible, une plastiline.
Selon un autre aspect, l'invention concerne également un dispositif microfluidique 20 comprenant au moins deux couches 17, 18 selon un aspect de l'invention, les au moins deux couches 17,18 étant posées et fixées l'une sur l'autre, des motifs de l'une des au moins deux couches étant alignés avec des motifs d'une autre des au moins deux couches pour former des nœuds répartis selon 3 dimensions et des microcanaux, les microcanaux mettant les nœuds en communication fluidique.
Selon ces dispositions, les moules maîtres, qui ne nécessitent pas la formation de microstructures, c'est-à-dire de structures dont la plus petite dimension est inférieure à la résolution de l'imprimante 3D, par exemple inférieure à 30 pm, sont réalisés par impression 3D, tandis que ceux qui nécessitent la formation de microstructures sont réalisées par le procédé selon l'invention, qui combine l'impression 3D avec la photolithographie ou un procédé de précision et de résolution équivalente.
Selon ces dispositions le deuxième moule secondaire et le moule d'encapsulation correspondant, rigides de préférence, peuvent être rapidement reproduits, en grande quantité et avec le même niveau de détail que le moule maître et le moule maître d'encapsulation, à partir respectivement du premier moule secondaire et du moule secondaire d'encapsulation, flexibles de préférences.
Ainsi, l'invention permet de faire du prototypage rapide, car elle utilise les avantages de conception et de fabrication de l'impression 3D. Le temps le plus long est la fabrication du moule maître et du deuxième support avec ses microstructures, soit environ 24 heures, et de l'empreinte sous la forme du premier moule secondaire flexible, environ 24 heures également. La reproduction des moules, sous la forme des deuxièmes moules secondaires, rigides, prend seulement environ 1 heure, et le moulage des couches du dispositif microfluidique prend seulement environ 2 heures. Ces dernières opérations, moins coûteuses en temps, peuvent être réalisées en parallèle.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé (100) de fabrication d'un dispositif microfluidique (20), le procédé comprenant une étape de production (101) d'un moule maître (1), le moule- maître (1) comprenant un premier support (2) et un deuxième support (8), le deuxième support comprenant un substrat (3) et des microstructures (4), le substrat (3) ayant une première face et une deuxième face opposée à la première, l'étape de production du moule maître comprenant les sous-étapes suivantes :
- réalisation (1011) du deuxième support (8) en formant les microstructures (4) sur la première face du substrat (3) ;
- impression (1012) en trois dimensions du premier support (2) sur une imprimante 3D, avec une résine d'impression, les dimensions du premier support(2) étant ajustées aux dimensions du substrat (3) pour contenir le substrat (3);
- insertion (1014) du substrat du deuxième support (8) dans le premier support.
2. Procédé (100) selon la revendication 1 dans lequel l'étape d'impression (1012) en trois dimensions du premier support (2), comprend :
- une sous-étape d'arrêt (1013) de l'impression du premier support (2) en fonction d'une hauteur du premier support (2) imprimé, avant l'étape d'insertion (1014) du substrat du deuxième support (8) dans le premier support (2), et
- une sous-étape de poursuite (1015) de l'impression du premier support à partir de la hauteur du premier support (2), les microstructures (4) étant alignées avec des motifs imprimés du premier support (2), la sous-étape de poursuite étant réalisée après l'étape d'insertion (1014).
3. Procédé (100) selon la revendication 2, dans lequel :
- la première face et la deuxième face du substrat (3) sont distantes d'une épaisseur du substrat (Es)
- l'impression du premier support est arrêté dès qu'une hauteur totale (Htot), égale à une somme d'une épaisseur d'un fond (Ef) du premier support (2) imprimé, ajoutée à l'épaisseur du substrat (Es) du deuxième support (8), est supérieure à la hauteur du premier support (2) imprimé, d'une valeur égale ou inférieure à un seuil prédéterminé ;
- l'insertion du substrat du deuxième support (8) dans le premier support fait reposer la deuxième face du substrat sur le fond du premier support;
- le procédé comprenant en outre la sous-étape suivante :
- après la réalisation du deuxième support (8), découpe (lOllbis) du substrat du deuxième support (8) autour des microstructures (4), les dimensions du premier support (2) étant ajustées aux dimensions du substrat (3) découpé, pour contenir le substrat (3) découpé;
4. Procédé selon l'une des revendications 2 à 3, dans lequel l'étape de production du moule maître comprend en outre les sous-étapes suivantes :
- positionnement (lOllter) d'un porte-outil (5) de l'imprimante 3D à une position déterminée, avant l'étape d'impression;
- extraction (1013bis) du porte-outil de l'imprimante 3D, après l'étape d'arrêt de l'impression, et avant l'étape d'insertion ;
- ajout de résine (1014bis) sur la première face du substrat du deuxième support (8), après l'étape d'insertion ;
- positionnement (1014ter) du porte-outil à la position déterminée, avant de poursuivre l'impression ;
5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel, à l'étape (1011) de réalisation du deuxième support (8), la formation des microstructures comprend la mise en œuvre de l'une des techniques parmi la photolithographie, la gravure humide ou sèche de wafer, la technologie 2 photons, l'impression 3D avec une résolution comparable à celle de la photolithographie.
6. Procédé (100) selon l'une des revendications précédentes, comprenant en outre une étape (102) de réplication du moule maître (1) pour produire un premier moule secondaire (11) à partir du moule maître et pour produire un deuxième moule secondaire (12) à partir du premier moule secondaire (11).
7. Procédé (100) selon la revendication 6, dans lequel le dispositif microfluidique (20) comprend au moins une couche (17, 18), le procédé comprenant :
- une étape de production (103) d'un moule d'encapsulation (16) configuré pour coopérer avec le deuxième moule secondaire (12) dans une étape de production (104) de l'au moins une couche (17,18), et
- une étape de production (104) de l'au moins une couche (17,18), l'étape de production (103) d'un moule d'encapsulation (16) comprenant :
- une sous-étape (1031) d'impression 3D d'un moule maître d'encapsulation,
- une sous-étape (1032) de nouvelle réplication du moule maître d'encapsulation pour produire un moule secondaire d'encapsulation et le moule d'encapsulation (16) à partir du moule secondaire d'encapsulation;
8. Procédé (100) selon la revendication 7, dans lequel l'étape de production (104) de l'au moins une couche comprend :
- une sous-étape de moulage (1041) de l'au moins une couche en déposant un matériau de moulage, entre le deuxième moule secondaire (12) et le moule d'encapsulation (16), le moule d'encapsulation (16) et le deuxième moule secondaire (12) étant pressé l'un contre l'autre de manière à assurer un contact surfacique entre des éléments hauts du deuxième moule secondaire (12) et une surface du moule d'encapsulation (16),
- une sous-étape de recuit (1042) du matériau entre le deuxième moule secondaire (12) et le moule d'encapsulation, à une température et pendant une durée déterminée(16).
9. Procédé (100) selon l'une des revendications 7 ou 8, dans lequel l'au moins une couche (17, 18) comprend au moins deux couches, les couches de l'au moins deux couches étant superposées et fixées l'une sur l'autre après avoir été alignées l'une par rapport à l'autre de manière à former un dispositif microfluidique en trois dimensions.
10. Procédé (100) selon l'une des revendications 7 à 9, dans lequel le procédé comprend une première étape (lOlbis) de conception assistée par ordinateur de l'au moins une couche (17,18) en fonction d'une architecture tridimensionnelle du dispositif microfluidique (20), et une deuxième étape (lOlter) de conception assistée par ordinateur du moule maître (1) et du moule maître d'encapsulation en fonction de la définition de l'au moins une couche (17, 18).
11. Moule-maître pour la fabrication d'un dispositif microfluidique (20), le moule maître comprenant :
- un premier support (2), produit par impression 3D, et
- un deuxième support (8), le deuxième support comprenant un substrat (3) et des microstructures (4), le substrat (3) ayant une première face et une deuxième face opposée à la première, les microstructures étant formées sur la première face du substrat (3),
les dimensions du premier support(2) étant ajustées aux dimensions du substrat (3) pour contenir le substrat (3), les microstructures (4) étant alignées avec des motifs imprimés du premier support (2).
12. Moule secondaire flexible (11) pour la fabrication d'un dispositif microfluidique (20), le moule secondaire flexible (11) étant une réplication du moule- maître selon la revendication 11 dans un premier matériau réticulable qui est flexible après avoir réticulé.
13. Moule secondaire rigide (12) pour la fabrication d'un dispositif microfluidique (20), le moule secondaire rigide (12) étant une réplication du moule secondaire flexible (11) selon la revendication 12, dans un deuxième matériau réticulable, qui est rigide après avoir réticulé.
14. Couche (17, 18) pour la fabrication d'un dispositif microfluidique (20), couche (17, 18) étant une réplication du moule secondaire rigide (11) selon la revendication 13, dans un troisième matériau réticulable.
15. Dispositif microfluidique (20) comprenant au moins deux couches (17, 18) selon la revendication 14, les au moins deux couches (17,18) étant posées et fixées l'une sur l'autre, des motifs de l'une des au moins deux couches étant alignés avec des motifs d'une autre des au moins deux couches pour former des nœuds répartis selon 3 dimensions et des microcanaux, les microcanaux mettant les nœuds en communication fluidique.
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