EP4566713A1 - Dispositif de contrôle du déplacement d'un fluide - Google Patents

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EP4566713A1
EP4566713A1 EP24213155.5A EP24213155A EP4566713A1 EP 4566713 A1 EP4566713 A1 EP 4566713A1 EP 24213155 A EP24213155 A EP 24213155A EP 4566713 A1 EP4566713 A1 EP 4566713A1
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EP
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actuating
channel
membrane
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fluid
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EP24213155.5A
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Olivier Fuchs
Remco Den Dulk
Yves Fouillet
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Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Publication date
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Definitions

  • the present invention relates to a device for controlling the movement of a fluid, using a microfluidic component.
  • a microfluidic component also called a microfluidic device or microfluidic card, comprises a support, often made of a material such as COC, PMMA or equivalent.
  • the component may in particular integrate at least one microfluidic capsule.
  • a microfluidic capsule comprises a chamber into which at least one microfluidic channel opens.
  • the microfluidic capsule also comprises a membrane that can be deformed under the action of pneumatic means. By applying positive or negative pressure in a dedicated actuation channel, the membrane deforms in the chamber between at least two extreme positions.
  • the patent EP3148696B1 describes in particular a solution which comprises means for measuring the deformation of the membrane, these measuring means being able to be of the optical type and/or of the electrical type.
  • the electrical measuring means can comprise a strain gauge integrated into the membrane.
  • the optical measuring means are for example configured to determine the angle that the membrane makes in relation to the support during its deformation. Depending on the position of the membrane, the system deduces the volume of liquid which has been displaced by the movement of the membrane.
  • control means are configured to compare the measured volume of displaced fluid with a set value and to send a pressure command to the pneumatic actuation means in order to adapt the pressure of the injected actuation gas taking into account the difference between the measured volume of displaced fluid and the set value.
  • control means are configured to determine the pressure to be applied to the actuating gas taking into account the difference between the measured displaced fluid volume and the set value.
  • control means are configured to control the pneumatic actuation means by controlling the flow rate of fluid displaced by the membrane.
  • the monitoring means comprise a camera positioned to capture images of the actuation channel in which the gas/liquid interface moves.
  • the actuation channel comprises a coil in which the gas/liquid interface is able to move.
  • the camera comprises an image capture surface and the coil is configured to be adjusted in length and section, to be covered over its entire length by said capture surface.
  • the coil defines a volume corresponding at least to the maximum volume of fluid present in the chamber when the membrane is in an extreme position called open.
  • the monitoring means are of the capacitive, resistive or inductive type, and the movement of the gas/liquid interface in the actuation channel has the effect of modifying the value of a capacitance, a resistance or an inductance.
  • the invention applies to a microfluidic capsule 1 conventionally used in a microfluidic component.
  • microfluidic component is notably used in the medical field to analyze a fluid, such as a liquid sample (blood for example) by connecting to an analysis machine.
  • the microfluidic component can thus integrate an entire microfluidic network composed of microfluidic elements such as valves, chambers and microfluidic channels.
  • the microfluidic network is for example produced by machining or molding.
  • a microfluidic component can be made in a single layer or by assembling several layers together. Its layers are, for example, assembled together by thermal sealing. Each layer can be machined or molded so as to create at least part of the microfluidic network of the card, the assembly of the layers by stacking making it possible to form the entire microfluidic network of the microfluidic card.
  • the microfluidic component has two opposite faces, each extending in the two dimensions X, Y, and often has a smaller thickness (a few mm for example) along Z compared to the other two dimensions.
  • the microfluidic component is advantageously made of a transparent material such as COP (Cyclo-Olefin Polymer), COC (Cyclo-Olefin Copolymer), PMMA (Polymethyl Acrylic Methacrylate), PDMS (Polydimethyl Siloxane), Silicon, etc.
  • COP Cyclo-Olefin Polymer
  • COC Cyclo-Olefin Copolymer
  • PMMA Polymethyl Acrylic Methacrylate
  • PDMS Polydimethyl Siloxane
  • Silicon etc.
  • the microfluidic network of the microfluidic component may comprise one or more microfluidic capsules 1.
  • the movement of the membrane 13 inside the chamber 10 causes a movement of fluid F outside the chamber or towards the inside of the chamber, depending on its direction of movement.
  • the fluid F displaced by the membrane 13 is advantageously incompressible and therefore formed of a liquid.
  • FIG. 1B shows the microfluidic capsule 1 with the membrane 13 in an intermediate position, located between its open position and its closed position.
  • the membrane 13 separates the chamber 10 into two separate spaces, a so-called upper space containing the fluid to be displaced and a lower space pressurized by the actuating liquid L of the device for actuating the membrane 13 (see below).
  • the membrane 13 is for example interposed between two layers of the microfluidic component and is sealed between these two layers.
  • the deformable membrane 13 is often made of a hyperelastic silicone-based material, such as polydimethylsiloxane (PDMS), or elastomer such as Ecoflex (registered trademark). Other materials with similar mechanical properties or those suitable for the application could be considered.
  • PDMS polydimethylsiloxane
  • Ecoflex registered trademark
  • the microfluidic component integrates an actuation channel 20 opening opposite the membrane 13.
  • This actuation channel 20 is part of an actuation device of the fluidic system.
  • the actuation channel 20 is advantageously produced at least in part in the body of the microfluidic component, in a similar manner to the other channels of the microfluidic network of the component.
  • the actuating device comprises an actuating liquid L placed in the actuating channel 20 and pneumatic actuating means 2 connected to the actuating channel and configured to inject an actuating gas G (for example air) into said actuating channel 20 in order to pressurize said actuating liquid L against the membrane 13 to deform it.
  • an actuating gas G for example air
  • the actuating liquid L comes directly into contact with the membrane 13 to move it, putting the lower space of the chamber 10 of the capsule under pressure.
  • the actuation channel 20 advantageously has a constant section over its entire length.
  • This section is, for example, rectangular.
  • the membrane 13 is actuated between its two positions using the actuating liquid L pressurizing the lower space of the chamber, and the actuating liquid L is moved by pneumatic means, by applying a positive or negative pressure using the actuating gas G injected into the actuating channel 20.
  • the pneumatic actuation means 2 are connected directly to the actuation channel 20 in which the actuation liquid L is placed.
  • the injected actuation gas G therefore comes directly into contact with the actuation liquid L.
  • directly it is meant that the gas G injected into the actuation channel 20 comes into physical contact with the actuation liquid L present in the channel and that there is no intermediate wall, specific membrane or physical barrier separating them.
  • the displacement of the gas/liquid interface INT is directly proportional to the volume of fluid F displaced by the membrane 13 in the microfluidic capsule. This principle applies in particular because the actuating liquid L and the fluid F displaced by the membrane 13 are incompressible.
  • gas/liquid interface INT it is understood that it can be a meniscus or a line moving along the actuation channel 20 depending on the pressure level of the gas G injected by the pneumatic actuation means 2.
  • the monitoring means advantageously comprise a camera 3 configured to follow the movement of the gas/liquid interface INT inside the actuation channel 20.
  • the camera 3 is coupled to control means 4 responsible for processing the images acquired by the camera 3.
  • the control means 4 are advantageously those already used for controlling the microfluidic component.
  • the camera 3 is configured to acquire several images at successive times. If the pressure of the actuating gas G injected by the pneumatic actuating means 2 is modified, the gas/liquid interface INT moves. From the acquired images, the control means 4 are configured to determine, at each time, the position of the gas/liquid interface INT and to deduce therefrom a direction of movement of the gas/liquid interface and a displacement in length of this gas/liquid interface along the actuating channel 20 when the position of the gas/liquid interface varies over time.
  • the control means 4 can deduce a displacement in length of the gas/liquid interface INT in the actuation channel and therefore, ultimately, the volume of fluid displaced by the membrane 13 in the microfluidic capsule 1.
  • the electrodes are for example deposited on the internal surface of the actuation channel 20 and electrical connection points are created on the microfluidic component to connect them to means for measuring the parameter considered (capacitance, inductance, resistance).
  • the volume of the actuating liquid L displaced in the actuating channel 20 (taking into account the section of the actuating channel and the length between two positions of the gas/liquid interface) varies depending on the direction of displacement and the length of displacement of the gas/liquid interface INT along the actuating channel 20.
  • the control means 4 can implement a control of the volume of fluid displaced by the membrane 13 in the microfluidic capsule 1.
  • control means 4 can control the pneumatic actuation means 2 in flow rate and no longer in volume. It would in particular be possible to control the microfluidic capsule to ensure that it delivers the fluid F at a constant flow rate.
  • control means 4 are configured to execute a flow control loop. The principle of the regulation would be similar to that described above for volume regulation.
  • the actuation channel 20 is designed in the form of a serpentine.
  • the realization in the form of a serpentine in fact makes it possible to take into account the constraint linked to the capture surface 30 of the camera 3.
  • the gas/liquid interface INT to be monitored must in fact remain in the field of the capture surface 30 of the camera.
  • this capture surface 30 being limited in size, it may be relevant to have an actuation channel long enough to be able to move a total volume which is as large as possible.
  • the resolution linked to the volume displaced by the membrane can be optimized by adjusting the section of the channel.
  • the extent of the capture surface 30 of the camera and the maximum volume of fluid to be displaced by the membrane 13 in the microfluidic capsule it is then possible to determine the length that the actuation channel 20 must have in order to always remain in the field of the camera 3.
  • a 34.2mm serpentine actuation channel 20 will allow the displacement of a fluid volume of 6.8 ⁇ l to be monitored. Depending on the resolution level of the camera 3, it will then be possible to monitor the displaced fluid volume F more or less precisely.
  • the accuracy of measuring the volume of fluid displaced by the membrane will be 0.02 ⁇ l (0.30%) and with a camera resolution of 50 ⁇ m, the accuracy of measuring the volume of fluid displaced by the membrane will be 0.01 ⁇ l (0.15%).
  • Controlling the volume of fluid displaced by the membrane 13 in the microfluidic capsule may be useful in certain applications.
  • a first application can be in the field of organoids on chips, typically to perfuse organoids with low and controlled flow rates.
  • a flow of culture medium at a very low flow rate (of the order of 1 ⁇ l/min) is allowed to pass near the biological object, in order to provide it with nutrients and evacuate its secretions.
  • Another application may consist of the creation of concentration profiles by mixing two aqueous compounds.
  • Two microfluidic capsules 1a, 1b are placed in parallel and at least one of them is volume-controlled according to the principle of the invention described above.
  • each capsule is for example controlled via a separate actuation channel 20a, 20b, made in a serpentine fashion.
  • the control means 3 control the flow rate of fluid delivered by each capsule 1a, 1b by controlling the pneumatic actuation means 2.
  • Each capsule 1a, 1b delivers its fluid to a common channel 21. Depending on the volume delivered by each capsule, a fluid having a particular concentration profile is formed in this common channel 21.
  • a third application using an architecture similar to that of the Figure 4 is for example the creation of drops using two immiscible compounds (oil + water for example) example).
  • a first capsule with water and a second capsule with oil are used, the outlets of each capsule converging towards a common channel.
  • the device of the invention is fitted to each capsule and the volume of fluid delivered by each capsule is controlled using the principle of the invention towards the common channel. By regulating the pressure in each capsule, drops are formed in the common channel.
  • the principle of the invention makes it possible to control a volume of fluid displaced by the membrane 13 but it is also possible to carry out a flow rate control.
  • a flow rate control by monitoring the movement of the gas/liquid interface INT, it is possible to envisage controlling the movement of the membrane 13 to deliver the fluid at a constant flow rate.
  • the invention is therefore a simple solution for effectively monitoring the volume of fluid F displaced by a membrane 13 of a microfluidic capsule 1.
  • microfluidic component can in particular be directly mounted on an instrumented support carrying the pneumatic actuation means 2 and the camera 3.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif de contrôle du déplacement d'un fluide (F) comportant :
- Une capsule microfluidique (1) qui comporte une chambre microfluidique (10), au moins un canal microfluidique (11) débouchant dans ladite chambre microfluidique (10), et une membrane (13) déformable à l'intérieur de ladite chambre microfluidique pour déplacer un volume de fluide en dehors de la chambre vers ledit canal microfluidique ou aspirer un volume de fluide vers l'intérieur de la chambre microfluidique,
- Un dispositif d'actionnement de la membrane (13), le dispositif d'actionnement comportant un canal d'actionnement (20) débouchant en vis-à-vis de la membrane,
- Le dispositif d'actionnement comportant un liquide d'actionnement (L) placé dans le canal d'actionnement (20) et des moyens d'actionnement pneumatiques (2) connectés sur le canal d'actionnement (20) et configurés pour injecter un gaz d'actionnement (G) dans ledit canal d'actionnement (20) en vue de mettre sous pression ledit liquide d'actionnement contre la membrane (13) et la déformer.

Description

    Domaine technique de l'invention
  • La présente invention se rapporte à un dispositif de contrôle du déplacement d'un fluide, utilisant un composant microfluidique.
    • Etat de la technique
  • De manière connue, un composant microfluidique, également appelé dispositif microfluidique ou carte microfluidique, comporte un support, souvent réalisé dans un matériau de type COC, PMMA ou équivalent.
  • Le composant peut notamment intégrer au moins une capsule microfluidique. Une capsule microfluidique comporte une chambre dans laquelle débouche au moins un canal microfluidique. La capsule microfluidique comporte également une membrane déformable sous l'action de moyens pneumatiques. En appliquant une pression positive ou négative dans un canal d'actionnement dédié, la membrane se déforme dans la chambre entre au moins deux positions extrêmes.
  • Le passage de la pression négative à la pression positive, et inversement, entraîne le remplissage ou la vidange de la chambre. Lors de son déplacement, la membrane vient ainsi moduler le volume de fluide présent dans la chambre et donc le volume de fluide qu'elle déplace hors de la chambre, ou qu'elle aspire vers l'intérieur de la chambre.
  • Dans certaines applications, il peut s'avérer utile de connaître le volume de fluide délivré ou aspiré par la capsule microfluidique, et contrôler ainsi des volumes de fluide à déplacer.
  • Le brevet EP3148696B1 décrit notamment une solution qui comporte des moyens de mesure de la déformation de la membrane, ces moyens de mesure pouvant être de type optique et/ou de type électrique. A titre d'exemple, les moyens de mesure électrique peuvent comporter une jauge de contrainte intégrée dans la membrane. Et les moyens de mesure optique sont par exemple configurés pour déterminer l'angle que fait la membrane par rapport au support lors de sa déformation. En fonction de la position de la membrane, le système en déduit le volume de liquide qui a été déplacé par le mouvement de la membrane.
  • Dans le cas de moyens de mesure électrique, cette solution antérieure présente cependant l'inconvénient majeur de nécessiter l'emploi d'une membrane instrumentée spécifique intégrant la jauge de contrainte. En ce qui concerne la mesure de type optique, celle-ci s'avère difficile à implémenter car la visualisation doit être réalisée perpendiculairement à travers plusieurs couches du composant.
  • Il existe donc un besoin de disposer d'un dispositif capable de contrôler précisément le déplacement d'un fluide au sein d'un composant microfluidique, et qui soit :
    • Facile à implémenter en utilisant des moyens facilement disponibles, sans nécessiter la création d'une membrane spécifique ;
    • Fiable et précis dans le volume de fluide déplacé ;
    Exposé de l'invention
  • Ce but est atteint par un dispositif de contrôle du déplacement d'un fluide comportant :
    • Une capsule microfluidique qui comporte une chambre microfluidique, au moins un canal microfluidique débouchant dans ladite chambre microfluidique, et une membrane déformable à l'intérieur de ladite chambre microfluidique pour déplacer un volume de fluide en dehors de la chambre vers ledit canal microfluidique ou aspirer un volume de fluide vers l'intérieur de la chambre microfluidique,
    • Un dispositif d'actionnement de la membrane, le dispositif d'actionnement comportant un canal d'actionnement débouchant en vis-à-vis de la membrane,
    • Le dispositif d'actionnement comportant un liquide d'actionnement placé dans le canal d'actionnement et des moyens d'actionnement pneumatiques connectés sur le canal d'actionnement et configurés pour injecter un gaz d'actionnement dans ledit canal d'actionnement en vue de mettre sous pression ledit liquide d'actionnement contre la membrane et la déformer,
    • Une interface gaz/liquide étant présente dans ledit canal d'actionnement avec une position variable selon la pression du gaz d'actionnement injecté contre le liquide d'actionnement,
    • Le dispositif de contrôle comportant des moyens de surveillance configurés pour suivre un déplacement en longueur de ladite interface gaz/liquide le long du canal d'actionnement, et des moyens de contrôle configurés pour déterminer le volume de fluide déplacé par la membrane en fonction dudit déplacement en longueur de l'interface gaz/liquide suivi.
  • Selon une particularité, les moyens de contrôle sont configurés pour comparer le volume de fluide déplacé mesuré avec une valeur de consigne et pour envoyer une commande en pression aux moyens d'actionnement pneumatiques en vue d'adapter la pression du gaz d'actionnement injecté en tenant compte de la différence entre le volume de fluide déplacé mesuré et la valeur de consigne.
  • Selon une autre particularité, les moyens de contrôle sont configurés pour déterminer la pression à appliquer au gaz d'actionnement en tenant compte de la différence entre le volume de fluide déplacé mesuré et la valeur de consigne.
  • Selon une autre particularité, les moyens de contrôle sont configurés pour commander les moyens d'actionnement pneumatiques en contrôlant le débit de fluide déplacé par la membrane.
  • Selon une autre particularité, les moyens de surveillance comportent une caméra positionnée pour capturer des images du canal d'actionnement dans lequel se déplace l'interface gaz/liquide.
  • Selon une autre particularité, le canal d'actionnement comporte un serpentin dans lequel est apte à se déplacer l'interface gaz/liquide.
  • Selon une autre particularité, la caméra comporte une surface de capture d'images et le serpentin est configuré pour être ajusté en longueur et en section, pour être couvert sur toute sa longueur par ladite surface de capture.
  • Selon une autre particularité, le serpentin définit un volume correspondant au minimum au volume maximal de fluide présent dans la chambre lorsque la membrane est dans une position extrême dite d'ouverture.
  • Selon une autre particularité, les moyens de surveillance sont de type capacitifs, résistifs ou inductifs, et le déplacement de l'interface gaz/liquide dans le canal d'actionnement a pour effet de modifier la valeur d'une capacité, d'une résistance ou d'une inductance.
    • Brève description des figures
  • D'autres caractéristiques et avantages vont apparaître dans la description détaillée qui suit, en liaison avec les figures listées ci-dessous :
    • Les figures 1A à 1C représentent le principe de réalisation d'une capsule microfluidique employée dans l'invention et permettent d'illustrer le principe de fonctionnement de l'invention ;
    • La figure 2 représente de manière schématique le principe de réalisation du dispositif de l'invention ;
    • Les figures 3A et 3B montrent un exemple de réalisation du canal d'actionnement employé dans le dispositif de l'invention ;
    • La figure 4 montre un exemple d'application du dispositif de l'invention ;
    Description détaillée d'au moins un mode de réalisation
  • Pour la suite de la description, on définit un repère orthonormé X, Y, Z, l'axe Z étant orienté suivant la direction verticale. Les termes "supérieur", "inférieur", "au-dessus" et "au-dessous" ou équivalents sont à comprendre en suivant l'axe Z.
    • Carte microfluidique et vanne fluidique
    • Figure 1A
    • Figure 1B
    • Figure 1C
  • L'invention s'applique à une capsule microfluidique 1 employée classiquement dans un composant microfluidique.
  • Un tel composant microfluidique est notamment employé dans le domaine médical pour analyser un fluide, tel qu'un échantillon liquide (du sang par exemple) en venant se connecter sur un automate d'analyse. Le composant microfluidique peut ainsi intégrer tout un réseau microfluidique composé d'éléments microfluidiques tels que des vannes, des chambres et des canaux microfluidiques. Le réseau microfluidique est par exemple réalisé par usinage ou par moulage.
  • Un composant microfluidique peut être réalisé en une seule couche ou par l'assemblage de plusieurs couches entre elles. Ses couches sont par exemple assemblées entre elles par scellement thermique. Chaque couche peut être usinée ou moulée de manière à y créer au moins une partie du réseau microfluidique de la carte, l'assemblage des couches par empilement permettant de former l'ensemble du réseau microfluidique de la carte microfluidique.
  • Le composant microfluidique comporte deux faces opposées, s'étendant chacune dans les deux dimensions X, Y, et présente souvent une épaisseur plus faible (quelques mm par exemple) suivant Z au regard des deux autres dimensions.
  • Le composant microfluidique est avantageusement réalisé dans un matériau transparent de type COP (Cyclo-Oléfine Polymère), COC (Cyclo-Oléfine Copolymère), PMMA (Polyméthacrylate de Méthyle Acrylique), PDMS (Polydiméthyl Siloxane), Silicium...
  • Le réseau microfluidique du composant microfluidique peut comporter une ou plusieurs capsules microfluidiques 1.
  • Une capsule microfluidique 1 comporte classiquement une chambre 10 dans laquelle débouche au moins un canal fluidique, avantageusement deux canaux fluidiques, désignés canal fluidique d'entrée 11 et canal fluidique de sortie 12. La capsule microfluidique comporte également une membrane 13 déformable à l'intérieur de la chambre. Selon sa position, la membrane 13 module le volume de fluide F présent dans la chambre. Elle peut prendre deux positions extrêmes :
    • Une position dite d'ouverture dans laquelle la chambre 10 est pleine (figure 1A) ;
    • Une position de fermeture, dans laquelle la chambre 10 est vide (figure 1C) ;
  • Le déplacement de la membrane 13 à l'intérieur de la chambre 10 entraîne un déplacement de fluide F en dehors de la chambre ou vers l'intérieur de la chambre, selon son sens de déplacement.
  • Pour que le principe de l'invention puisse fonctionner de manière fiable, le fluide F déplacé par la membrane 13 est avantageusement incompressible et donc formé d'un liquide.
  • La figure 1B montre la capsule microfluidique 1 avec la membrane 13 dans une position intermédiaire, située entre sa position d'ouverture et sa position de fermeture. Dans une position intermédiaire, la membrane 13 vient séparer la chambre 10 en deux espaces distincts, un espace dit supérieur contenant le fluide à déplacer et un espace inférieur mis sous pression par le liquide d'actionnement L du dispositif d'actionnement de la membrane 13 (voir ci-après).
  • La membrane 13 est par exemple intercalée entre deux couches du composant microfluidique et est scellée entre ces deux couches.
  • Actuellement la membrane 13 déformable est souvent réalisée dans un matériau hyperélastique à base de silicone, tel que le polydiméthylsiloxane (PDMS), ou d'élastomère comme l'Ecoflex (marque déposée). D'autres matériaux ayant des propriétés mécaniques similaires ou adaptées à l'application pourraient être envisagés.
  • Pour actionner la membrane 13 entre ses deux positions, le composant microfluidique intègre un canal d'actionnement 20 débouchant en vis-à-vis de la membrane 13. Ce canal d'actionnement 20 fait partie d'un dispositif d'actionnement du système fluidique. Comme le circuit microfluidique du composant, le canal d'actionnement 20 est avantageusement réalisé au moins en partie dans le corps du composant microfluidique, de manière similaire aux autres canaux du réseau microfluidique du composant.
    • Dispositif d'actionnement
    • Figure 1A
    • Figure 1B
    • Figure 1C
    • Figure 2
  • Dans le cadre de l'invention, le dispositif d'actionnement comporte un liquide d'actionnement L placé dans le canal d'actionnement 20 et des moyens d'actionnement pneumatiques 2 connectés sur le canal d'actionnement et configurés pour injecter un gaz d'actionnement G (par exemple de l'air) dans ledit canal d'actionnement 20 en vue de mettre sous pression ledit liquide d'actionnement L contre la membrane 13 pour la déformer.
  • Le liquide d'actionnement L vient directement au contact de la membrane 13 pour la déplacer en venant mettre sous pression l'espace inférieur de la chambre 10 de la capsule.
  • Le canal d'actionnement 20 présente avantageusement une section constante sur toute sa longueur. Cette section est par exemple rectangulaire.
  • La membrane 13 est actionnée entre ses deux positions à l'aide du liquide d'actionnement L venant mettre en pression l'espace inférieur de la chambre, et le liquide d'actionnement L est déplacé par les moyens pneumatiques, par application d'une pression positive ou négative à l'aide du gaz d'actionnement G injecté dans le canal d'actionnement 20.
  • Il faut noter que les moyens d'actionnement pneumatiques 2 sont connectés directement sur le canal d'actionnement 20 dans lequel est placé le liquide d'actionnement L. Le gaz d'actionnement G injecté vient donc directement en contact avec le liquide d'actionnement L. Par le terme « directement », on entend que le gaz G injecté dans le canal d'actionnement 20 vient au contact physique du liquide d'actionnement L présent dans le canal et qu'il n'existe pas de paroi intermédiaire, de membrane spécifique ou de barrière physique les séparant.
  • Dans le cadre de l'invention, on s'intéresse à l'interface gaz/liquide INT présente dans le canal d'actionnement 20.
  • Selon l'invention, le déplacement de l'interface gaz/liquide INT est directement proportionnel au volume de fluide F déplacé par la membrane 13 dans la capsule microfluidique. Ce principe s'applique notamment parce que le liquide d'actionnement L et le fluide F déplacé par la membrane 13 sont incompressibles.
    • Moyens de surveillance et de contrôle
    • Figure 1A
    • Figure 1B
    • Figure 1C
    • Figure 2
  • En suivant le déplacement de l'interface gaz/liquide INT à l'intérieur du canal d'actionnement 20, il est ainsi possible d'en déduire le volume de fluide déplacé par la membrane 13 dans la capsule microfluidique 1.
  • Par interface gaz/liquide INT, il faut comprendre qu'il peut s'agir d'un ménisque ou d'un trait se déplaçant le long du canal d'actionnement 20 en fonction du niveau de pression du gaz G injecté par les moyens d'actionnement pneumatiques 2.
  • Les moyens de surveillance comportent avantageusement une caméra 3 configurée pour suivre le déplacement de l'interface gaz/liquide INT à l'intérieur du canal d'actionnement 20.
  • La caméra 3 est couplée à des moyens de contrôle 4 chargés de traiter les images acquises par la caméra 3. Les moyens de contrôle 4 sont avantageusement ceux déjà employés pour le pilotage du composant microfluidique.
  • La caméra 3 est configurée pour acquérir plusieurs images à des instants successifs. Si la pression du gaz d'actionnement G injecté par les moyens d'actionnement pneumatiques 2 est modifiée, l'interface gaz/liquide INT se déplace. A partir des images acquises, les moyens de contrôle 4 sont configurés pour déterminer, à chaque instant, la position de l'interface gaz/liquide INT et pour en déduire un sens de déplacement de l'interface gaz/liquide et un déplacement en longueur de cette interface gaz/liquide le long du canal d'actionnement 20 lorsque la position de l'interface gaz/liquide varie au cours du temps.
  • En variante, il serait possible d'utiliser d'autres moyens de surveillance du déplacement de l'interface gaz/liquide INT. A titre d'exemple, il pourrait s'agir de systèmes électriques, utilisant des mesures capacitives, inductives ou résistives. Ces moyens nécessitent de venir positionner des électrodes sur la surface interne du canal d'actionnement 20. Lors du déplacement de l'interface gaz/liquide INT, on observe ainsi une variation de la capacité, de l'inductance ou de la résistance. En fonction de cette variation, les moyens de contrôle 4 peuvent en déduire un déplacement en longueur de l'interface gaz/liquide INT dans le canal d'actionnement et donc, in fine, le volume de fluide déplacé par la membrane 13 dans la capsule microfluidique 1. Les électrodes sont par exemple déposées sur la surface interne du canal d'actionnement 20 et des points de connexion électrique sont créés sur le composant microfluidique pour les raccorder à des moyens de mesure du paramètre considéré (capacité, inductance, résistance).
  • Le volume du liquide d'actionnement L déplacé dans le canal d'actionnement 20 (tenant compte de la section du canal d'actionnement et de la longueur entre deux positions de l'interface gaz/liquide) varie en fonction du sens de déplacement et de la longueur de déplacement de l'interface gaz/liquide INT le long du canal d'actionnement 20.
  • En considérant que la section du canal d'actionnement 20 est constante, la longueur du déplacement de l'interface gaz/liquide INT est alors directement proportionnelle au volume de fluide déplacé par la membrane 13. En surveillant le déplacement en longueur de l'interface gaz/liquide INT, les moyens de contrôle 4 peuvent mettre en place un contrôle du volume de fluide déplacé par la membrane 13 dans la capsule microfluidique 1.
  • De manière avantageuse, les moyens de contrôle sont configurés pour réguler le volume de fluide déplacé par la membrane 13 à l'aide d'une boucle de régulation. En référence à la figure 2, le fonctionnement est par exemple le suivant :
    • Une valeur de consigne V_cons de volume à déplacer par la capsule microfluidique 1 est injectée en entrée des moyens de contrôle 4 ;
    • Pour déplacer ce volume, les moyens de contrôle 4 commandent les moyens d'actionnement pneumatiques 2 ;
    • Lors de la commande des moyens d'actionnement pneumatiques 2, l'interface gaz/liquide INT se déplace le long du canal d'actionnement 20 ;
    • Les moyens de surveillance (par exemple la caméra 3 via sa surface de capture 30) mesurent au moins deux positions distinctes prises par l'interface gaz/liquide INT lors de son déplacement et envoient des données D aux moyens de contrôle 4 ;
    • A partir des données D reçues, un module logiciel M1 des moyens de contrôle 4 déterminent le déplacement en longueur de l'interface gaz/liquide INT et en déduisent le volume V_r de fluide F réel déplacé par la membrane 13 dans la capsule microfluidique ;
    • A l'aide d'un module M2 de comparaison, les moyens de contrôle 4 comparent le volume V_r de fluide réellement déplacé par la membrane 13 avec la valeur de consigne V_cons reçue en entrée ;
    • En tenant compte de la différence V_x entre le volume V_r réel et la valeur de consigne V_cons, les moyens de contrôle 4 déterminent la commande en pression P à envoyer aux moyens d'actionnement pneumatiques 2 pour faire converger le volume réel V_r déplacé vers la valeur de consigne V_cons ;
    • La boucle de régulation est répétée tant que le volume V_r réel injecté ne correspond pas à la valeur de consigne V_cons ;
  • Par ailleurs, comme le débit d'un fluide correspond au volume en fonction du temps, il faut noter qu'il serait également possible de contrôler le débit de fluide délivré par la capsule microfluidique 1. Pour cela, les moyens de contrôle 4 peuvent commander les moyens d'actionnement pneumatiques 2 en débit et non plus en volume. Il serait notamment possible de contrôler la capsule microfluidique pour faire en sorte qu'elle délivre le fluide F à débit constant. Pour cela, les moyens de contrôle 4 sont configurés pour exécuter une boucle de régulation en débit. Le principe de la régulation serait similaire à celui décrit ci-dessus pour la régulation en volume.
    • Architecture du canal d'actionnement
    • Figure 3A
    • Figure 3B
  • De manière avantageuse, le canal d'actionnement 20 est réalisé sous la forme d'un serpentin.
  • La réalisation sous la forme d'un serpentin permet en effet de tenir compte de la contrainte liée à la surface de capture 30 de la caméra 3. L'interface gaz/liquide INT à surveiller doit en effet rester dans le champ de la surface de capture 30 de la caméra. De plus, cette surface de capture 30 étant limitée en taille, il peut être pertinent de disposer d'un canal d'actionnement suffisamment long pour pouvoir déplacer un volume total qui est le plus important possible. Par ailleurs, la résolution liée au volume déplacé par la membrane peut être optimisée en jouant sur la section du canal.
  • En fonction de la section du canal d'actionnement 20, de l'étendue de la surface de capture 30 de la caméra et du volume maximum de fluide à déplacer par la membrane 13 dans la capsule microfluidique, on peut alors déterminer la longueur que doit avoir le canal d'actionnement 20 pour rester toujours dans le champ de la caméra 3.
  • A titre d'exemple, avec une surface de capture 30 de 4x6 mm2 (longueur X et largeur Y sur la figure 3A) et un canal d'actionnement 20 ayant une section rectangulaire de 400µm de large (y1 sur la figure 3B) et de 500µm de profondeur (z1 sur la figure 3B), un canal d'actionnement 20 en serpentin de 34.2mm permettra de suivre le déplacement d'un volume de fluide de 6.8µl. Selon le niveau de résolution de la caméra 3, il sera ensuite possible de surveiller plus ou moins précisément le volume de fluide F déplacé.
  • A titre d'exemple, avec une résolution de la caméra de 100µm, la précision sur la mesure du volume de fluide déplacé par la membrane sera de 0.02µ! (0.30%) et avec une résolution de la caméra de 50µm, la précision sur la mesure du volume de fluide déplacé par la membrane sera de 0.01µl (0.15%).
  • Une autre configuration est par exemple la suivante :
    • Canal d'actionnement ayant une section rectangulaire de 500pm en largeur y1 et de 800µm en profondeur z1 :
    • Un serpentin de 28.5mm rentre dans le champ de vue de la surface de capture (4×6mm2) de la caméra 3 et permet de suivre le déplacement d'un volume de fluide de 11.4µ!.
    • Avec une résolution de la caméra de 100µm, la précision sur la mesure du volume est de 0,08µl (0,36%) ;
    • Avec une résolution de la caméra de 50µm, la précision sur la mesure du volume est de 0,04µl (0,18%) ;
  • Il faut noter qu'il serait également possible de jouer sur la longueur du canal d'actionnement 20 et donc du serpentin en employant une lentille divergente, en utilisant une caméra grand champ, c'est-à-dire dotée d'une surface de capture 30 plus étendue, et/ou éventuellement en utilisant plusieurs caméras juxtaposées.
    • Applications
  • Figure 4
  • Le contrôle du volume de fluide déplacé par la membrane 13 dans la capsule microfluidique peut s'avérer utile dans certaines applications.
  • Une première application peut être dans le domaine des organoïdes sur puce, typiquement pour perfuser des organoïdes avec des débits faibles et contrôlés. Ainsi pour la perfusion d'un objet biologique, on laisse passer un flux de milieu de culture à très faible débit (de l'ordre de 1 µl/min) à proximité de l'objet biologique, afin de lui apporter des nutriments et évacuer ses sécrétions.
  • Une autre application, illustrée par la figure 4, peut consister en la création de profils de concentration en venant mélanger deux composés aqueux. Deux capsules microfluidiques 1a, 1b sont placées en parallèle et au moins l'une d'elles est pilotée en volume selon le principe de l'invention décrit ci-dessus. Sur la figure 4, chaque capsule est par exemple contrôlée via un canal d'actionnement 20a, 20b distinct, réalisé en serpentin. A partir des images acquises (via les deux surfaces de capture 30a, 30b), les moyens de contrôle 3 contrôlent le débit de fluide délivré par chaque capsule 1a, 1b en commandant les moyens d'actionnement pneumatique 2. Chaque capsule 1a, 1b délivre son fluide vers un canal commun 21. Selon le volume délivré par chaque capsule, on vient former un fluide ayant un profil de concentration particulier dans ce canal commun 21.
  • Une troisième application utilisant une architecture similaire à celle de la figure 4 est par exemple la création de gouttes en utilisant deux composés non miscibles (huile+eau par exemple). On utilise une première capsule avec de l'eau et une deuxième capsule avec de l'huile, les sorties de chaque capsule convergeant vers un canal commun. Le dispositif de l'invention est adapté sur chaque capsule et on vient contrôler le volume de fluide délivré par chaque capsule à l'aide du principe de l'invention vers le canal commun. En régulant la pression dans chaque capsule, on vient former des gouttes dans le canal commun.
  • Comme indiqué ci-dessus, le principe de l'invention permet de contrôler un volume de fluide déplacé par la membrane 13 mais il est également possible d'effectuer un contrôle en débit. Dans ce dernier cas, en surveillant le déplacement de l'interface gaz/liquide INT, on peut envisager de venir contrôler le déplacement de la membrane 13 pour délivrer le fluide à un débit constant.
    • Avantages
  • L'invention est donc une solution simple pour suivre efficacement le volume de fluide F déplacé par une membrane 13 d'une capsule microfluidique 1.
  • Dans le cas d'utilisation d'une caméra 3, cette solution permet notamment de ne pas avoir à modifier profondément la structure du composant microfluidique et de ne pas engendrer de surcoût au composant. Les moyens mis en oeuvre sont simples et souvent déjà disponibles pour le pilotage du composant microfluidique. Le composant microfluidique peut notamment être directement monté sur un support instrumenté portant les moyens d'actionnement pneumatique 2 et la caméra 3.
  • La solution de l'invention est par ailleurs facilement implémentable dans des applications déjà connues.

Claims (9)

  1. Dispositif de contrôle du déplacement d'un fluide (F) comportant :
    - Une capsule microfluidique (1) qui comporte une chambre microfluidique (10), au moins un canal microfluidique (11) débouchant dans ladite chambre microfluidique (10), et une membrane (13) déformable à l'intérieur de ladite chambre microfluidique pour déplacer un volume de fluide en dehors de la chambre vers ledit canal microfluidique ou aspirer un volume de fluide vers l'intérieur de la chambre microfluidique,
    - Un dispositif d'actionnement de la membrane (13), le dispositif d'actionnement comportant un canal d'actionnement (20) débouchant en vis-à-vis de la membrane,
    - Caractérisé en ce que :
    - Le dispositif d'actionnement comporte un liquide d'actionnement (L) placé dans le canal d'actionnement (20) et des moyens d'actionnement pneumatiques (2) connectés sur le canal d'actionnement (20) et configurés pour injecter un gaz d'actionnement (G) dans ledit canal d'actionnement (20) en vue de mettre sous pression ledit liquide d'actionnement contre la membrane (13) et la déformer,
    - Une interface gaz/liquide (INT) étant présente dans ledit canal d'actionnement (20) avec une position variable selon la pression du gaz d'actionnement (G) injecté contre le liquide d'actionnement,
    - Le dispositif de contrôle comporte des moyens de surveillance configurés pour suivre un déplacement en longueur de ladite interface gaz/liquide (INT) le long du canal d'actionnement (20), et des moyens de contrôle (4) configurés pour déterminer le volume de fluide déplacé par la membrane en fonction dudit déplacement en longueur de l'interface gaz/liquide (INT) suivi.
  2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de contrôle (4) sont configurés pour comparer le volume de fluide (V_r) déplacé mesuré avec une valeur de consigne (V_cons) et pour envoyer une commande en pression (P) aux moyens d'actionnement pneumatiques (2) en vue d'adapter la pression du gaz d'actionnement (G) injecté en tenant compte de la différence entre le volume de fluide (V_r) déplacé mesuré et la valeur de consigne (V_cons).
  3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de contrôle (4) sont configurés pour déterminer la pression à appliquer au gaz d'actionnement en tenant compte de la différence entre le volume de fluide (V_r) déplacé mesuré et la valeur de consigne (V_cons).
  4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens de contrôle (4) sont configurés pour commander les moyens d'actionnement pneumatiques (2) en contrôlant le débit de fluide (F) déplacé par la membrane (13).
  5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens de surveillance comportent une caméra (3) positionnée pour capturer des images du canal d'actionnement (20) dans lequel se déplace l'interface gaz/liquide (INT).
  6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le canal d'actionnement (20) comporte un serpentin dans lequel est apte à se déplacer l'interface gaz/liquide (INT).
  7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que la caméra (3) comporte une surface de capture (30) d'images et en ce que le serpentin est configuré pour être ajusté en longueur et en section, pour être couvert sur toute sa longueur par ladite surface de capture (30).
  8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le serpentin définit un volume correspondant au minimum au volume maximal de fluide présent dans la chambre lorsque la membrane (13) est dans une position extrême dite d'ouverture.
  9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens de surveillance sont de type capacitifs, résistifs ou inductifs, et en ce que le déplacement de l'interface gaz/liquide (INT) dans le canal d'actionnement (20) a pour effet de modifier la valeur d'une capacité, d'une résistance ou d'une inductance.
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