FR2953504A1 - Procede de fabrication d'un dispositif microfluidique. - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication de dispositifs microfluidiques qui comprend les étapes consistant à : a) disposer une quantité de verre ramolli entre les éléments d'un moule, la face interne d'au moins un desdits éléments comportant au moins un motif d'impression, b) presser ladite quantité de verre entre lesdits éléments, c) séparer lesdits éléments, d) collecter la pièce en verre moulé, et e) le cas échéant, recuire ladite pièce.

Description

1 PROCEDE DE FABRICATION D'UN DISPOSITIF MICROFLUIDIQUE

La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un dispositif microfluidique opérant par moulage.

Les dispositifs microfluidiques sont des structures connues utilisées en chimie, en particulier dans les domaines suivants : - la microréaction qui vise à produire toutes sortes de composés (molécules, particules, émulsions, ...) à partir de réactifs de départ introduits dans un dispositif microfluidique qui joue le rôle de réacteur de synthèse, - la microanalyse qui a pour but de détecter des composés spécifiques, et généralement de mesurer leur teneur, dans des échantillons de provenance variée, en particulier dans des fluides biologiques. Le dispositif microfluidique assure ici la fonction de détecteur. Le rôle des dispositifs microfluidiques ne se limite pas cependant aux fonctions précitées; notamment, les dispositifs microfluidiques peuvent être conçus pour fonctionner en tant qu'échangeurs de chaleur, filtres, mélangeurs, des extracteurs, séparateurs (par exemple opérant par électrophorèse), dispositifs permettant de générer des gouttes de dimension donnée ou des particules solides, ou en tant que dispositifs permettant d'effectuer des opérations particulières (lyse cellulaire, amplification d'ADN, ...). Ces dispositifs peuvent être « ouverts », c'est-à-dire n'être composés que d'un seul élément sur lequel sont gravés ou sont déposés des motifs délimitant des microstructures, par exemple des microcanaux et des microréservoirs.

En général, les dispositifs microfluidiques sont « fermés » ; ils comprennent deux éléments, voire davantage, habituellement sous forme de plaque ou de feuille, qui sont superposés et liés ensemble, et au moins un des éléments étant gravé ou étant muni de motifs sur la surface qui fait face à l'autre élément pour former les microstructures étanches aux fluides. Les dispositifs microfluidiques comportent le plus souvent des ouvertures dans au moins un des éléments qui débouchent dans une ou plusieurs des microstructures pour l'introduction et l'évacuation des fluides. Dans les microstructures, on stocke ou on fait circuler un volume très faible de fluides dans le but soit de faire réagir les composés contenus dans ces fluides (ensemble ou avec un(des) composé(s) préalablement introduit(s) dans le dispositif microfluidique), soit de mélanger ou de séparer les constituants d'une partie d'un fluide afin d'analyser leurs propriétés chimiques et/ou physiques, à l'intérieur ou à l'extérieur du dispositif microfluidique. On peut aussi faire circuler un fluide dans une microstructure simplement pour mesurer une de ses propriétés chimique ou physique. En général, les microstructures présentent une section sensiblement carrée, rectangulaire, trapézoïdale, ovale ou circulaire, et une épaisseur qui varie de quelques micromètres à plusieurs millimètres. Les dimensions des microstructures varient selon qu'il s'agit d'un canal, d'un réservoir ou d'un élément de connexion de ces derniers; le plus souvent, la largeur est comprise entre 10 pm et 10 mm, la longueur peut aller de quelques millimètres à plusieurs centimètres et la surface peut varier de 1 à 100 centimètres carrés. Les dispositifs microfluidiques peuvent être constitués de matériaux de différentes natures. Ils peuvent être par exemple en polymère, silicium ou métal. Cependant, ces matériaux ne sont pas satisfaisants à de nombreux égards : - les polymères sont sensibles aux solvants organiques (ils ont tendance à se dissoudre et à gonfler), résistent difficilement aux traitements prolongés à des températures supérieures à 200-300°C, se déforment sous l'effet de la pression, et ne sont pas entièrement inerte chimiquement (ils peuvent adsorber des composés présents dans les fluides, éventuellement les relarguer par la suite). En outre, l'état de surface des polymères est difficile à contrôler, en particulier parce qu'il peut évoluer dans le temps. Enfin, certains polymères ne sont pas adaptés aux techniques de détection opérant par spectroscopie en général, en particulier Raman, du fait des perturbations qu'ils peuvent occasionner. - le silicium est coûteux, n'est pas compatible avec certains fluides, n'est pas transparent et son caractère semi-conducteur empêche toute mise en oeuvre de techniques de pompage électrodynamique et électroosmotique des fluides. De surcroît, les méthodes utilisées pour former les microstructures telles que la photolithographie et la DRIE (« Deep Reactive Ion Etching » en anglais) sont coûteuses car elles imposent de travailler dans des enceintes protégées placées sous une atmosphère contrôlée, et - les métaux sont susceptibles de se corroder, ne sont pas transparents ni compatibles avec certains fluides biologiques. Pour remédier aux inconvénients précités, il a été proposé de fabriquer les dispositifs microfluidiques avec du verre, de la vitrocéramique ou de la céramique. Ces matériaux sont appréciés pour leur caractère isolant qui autorise le transport des fluides par électrocinétique et électroosmose, leur inertie chimique, leur bon état de surface et leur aptitude à pouvoir être modifiés chimiquement en surface de manière durable.

Le verre est préféré pour son coût, sa facilité de mise en oeuvre et sa transparence qui permet la détection des composés présents dans les fluides par des méthodes optiques. Sur un élément en verre, les canaux peuvent être obtenus par gravure physique, notamment par sablage (« sand blasting » en anglais) et par irradiation au moyen d'un laser CO2 (JP-A-2000-298109), ou par gravure chimique du verre directement ou d'une couche consolidée à base d'une poudre de verre préalablement déposée sur le verre (JP-A-2003-299944). Toutefois, les procédés de gravure physique et chimique peuvent altérer la surface de l'élément en verre en la rendant apte à diffuser la lumière, de sorte qu'il n'est plus possible d'utiliser les méthodes de détection optique opérant dans le visible avec ce type de dispositif microfluidique. En outre, la gravure du verre est une opération coûteuse et qui a une productivité limitée. Les microstructures peuvent encore être obtenues par mise en forme sous vide d'un matériau précurseur d'un verre, d'une vitrocéramique ou d'une céramique sur l'élément en verre (FR-A-2830206). Ce procédé requiert des dispositifs spécifiques de mise sous vide, lesquels sont d'autant plus onéreux que les éléments à traiter ont des dimensions importantes. Il a aussi été proposé de former des dispositifs microfluidiques par un procédé de moulage-pressage en continu à partir d'une fritte de verre ou d'une feuille de verre (WO 2008/106160). La fritte ou la feuille de verre est placée entre deux pièces constituées d'un matériau non collant, l'une au moins des faces de ces pièces en regard du verre étant pourvue de motifs d'impression et plusieurs de ces ensembles sont superposés et maintenus sous pression. Les ensembles superposés sont chauffés à une température permettant le ramollissement du verre puis ils sont refroidis. Les pièces en verre moulé obtenues sont ensuite fermées par un opercule pour former les dispositifs microfluidiques. Ce procédé permet d'atteindre une productivité élevée (600 pièces à l'heure) mais il requiert des équipements onéreux, notamment un four de 12 mètres de longueur pour maintenir la température nécessaire au ramollissement du verre pendant une durée importante, de l'ordre de plusieurs heures, et un grand nombre de pièces pour le moulage du verre. La présente invention a pour but de produire des dispositifs microfluidiques avec une productivité élevée et à faible coût.

Pour atteindre ce but, l'invention propose un procédé de fabrication d'un dispositif microfluidique qui comprend les étapes consistant à : a) disposer une quantité de verre ramolli entre les éléments d'un moule, la face interne d'au moins un desdits éléments comportant au moins un motif d'impression, b) presser ladite quantité de verre ramolli entre lesdits éléments, c) séparer lesdits éléments, d) collecter la pièce en verre moulé, et e) le cas échéant, recuire ladite pièce. Le verre utilisable dans le cadre de l'invention peut être tout type de verre, par exemple un verre silicaté du type borosilicate ou silico-sodo-calcique, qui peut contenir du bismuth ou du plomb dont le rôle est d'abaisser la température de ramollissement. De manière classique, le verre est obtenu par fusion des matières premières vitrifiables dans un four à une température adaptée au type de verre choisi. Le verre peut être utilisé immédiatement après avoir été fondu, mais on préfère le mettre en forme, en particulier sous la forme d'articles discrets tels que des tiges ou des barreaux, qui peuvent être refondus par la suite à une température plus faible que la température de fusion des matières premières vitrifiables. Dans le cadre de la présente invention, le verre ramolli a une température (Tv) qui satisfait la relation suivante : Tlogn=4 û 50°C < Tä < T1ogn=4 + 300°C dans laquelle T,ogn=4 représente la température à laquelle le verre a une viscosité ii égale à 104 poises (aussi appelée « température de travail »).

Lorsqu'il est placé entre les éléments du moule, le verre ramolli est ainsi à une température qui lui confère une viscosité lui permettant dans l'étape suivante b) d'être en contact étroit avec les faces internes desdits éléments afin d'en épouser la forme le plus fidèlement possible, en particulier au niveau des motifs d'impression. Les éléments qui composent le moule sont constitués d'un matériau qui résiste à la température du verre de manière à éviter que ceux-ci ne se déforment, et qui en outre est inerte vis-à-vis du verre. Ce matériau présente avantageusement un coefficient d'expansion thermique supérieur à celui du verre à traiter. A titre d'exemple d'un tel matériau, on peut citer le carbone et les superalliages métalliques, notamment à base de nickel. Bien que les éléments constituant le moule puissent être constitués de matériaux différents, on préfère qu'il s'agisse du même matériau. La face interne (c'est-à-dire la face en contact avec le verre ramolli) d'au moins un des éléments formant un moule est pourvue d'un ou plusieurs motifs d'impression qui sont obtenus par les techniques connues, par exemple la gravure au diamant ou l'électroérosion. Les motifs peuvent avoir des formes variées, en creux ou en saillie à la surface du ou des éléments formant le moule, selon que l'on souhaite obtenir des canaux, des cavités (pouvant ou non traverser l'épaisseur du verre), des piliers ou des murs. La dimension des motifs peut varier dans une large mesure, par exemple de 10 pm à 10 mm en largeur et 1 pm à 5 mm en profondeur ou en hauteur. De manière avantageuse, la face comportant le ou les motifs d'impression comprend aussi au moins un motif, généralement formé d'au moins un canal, qui est destiné à piéger les gaz émis lors de l'étape de scellement du verre de fermeture du dispositif microfluidique décrite par la suite et n'est donc pas apte à remplir le rôle de dispositif microfluidique. Avantageusement, l'un des éléments du moule est doté d'un orifice traversant (évent) qui permet aux gaz se situant entre le moule et le verre de s'échapper au cours de l'étape b) de pressage du verre. De préférence, l'évent se situe dans une zone « neutre », c'est-à-dire une zone qui n'interfère pas avec les motifs microfluidiques.

La pression appliquée lors de l'étape b) doit être suffisante pour que le verre ramolli se répartisse rapidement et de manière uniforme à l'intérieur du moule jusqu'à occuper la quasi-totalité du volume interne du moule. La pression sur les éléments du moule en vue de réaliser l'impression des motifs dans le verre est exercée le plus rapidement possible après que le verre se trouve entre les éléments du moule. Cette pression peut être exercée par tout moyen connu de l'homme du métier, par exemple à l'aide d'une presse hydraulique ou fonctionnant avec de l'air comprimé. Les éléments du moule sont généralement maintenus à une température suffisamment élevée pour que le remplissage des motifs d'impression puisse se faire de manière correcte, tout en évitant que le verre adhère à la surface des éléments d'une manière telle qu'il ne puisse plus en être détaché. Pour ce faire, les éléments du moule sont de préférence portés à une température (TM) qui satisfait la relation suivante : Tiogi=13 - 150°C < TM < Tiogi=13 dans laquelle TIogn=13 est la température à laquelle le verre utilisé a une viscosité ii égale à 1013 poises (aussi appelée « température de recuisson »). Le cas échéant, un matériau de démoulage peut être appliqué sur la face interne des éléments du moule, préalablement à la mise en oeuvre de l'étape b). De préférence, le matériau de démoulage est une poudre du même matériau que celui qui constitue les éléments du moule. A l'étape c), les éléments du moule sont séparés afin de libérer la pièce en verre moulé. La séparation peut être effectuée en écartant simultanément chaque élément du moule ou en écartant l'un seulement des éléments, l'autre élément étant fixé sur un support non mobile. A l'étape d) la pièce en verre moulé est collectée. Avantageusement, la pièce en verre moulé se détache lors de la séparation des éléments du moule et tombe par gravité sur un dispositif de collecte automatique, par exemple un transporteur à bande.

A l'étape e), la pièce en verre moulé subit un traitement thermique de recuisson qui vise à réduire voire supprimer les contraintes mécaniques à l'intérieur du verre. La température de recuisson à appliquer dépend du type de verre utilisé : elle se situe classiquement autour de la température de recuisson 7 correspondant à la température à laquelle le verre a une viscosité ii égale à 1013 poises (Tlog ,1=13)• De manière générale, la pièce en verre moulé est revêtue sur la ou les faces portant le(s) motif(s) d'impression d'une feuille de verre qui est ensuite scellée au verre moulé de manière à fermer lesdits motifs pour les rendre étanches aux fluides. Le cas échéant, la surface comportant le ou les motifs d'impression peut être polie pour réduire les irrégularités de surface afin d'améliorer le contact du verre moulé avec la feuille de verre de scellement. Le polissage peut être réalisé par les méthodes connues de l'homme du métier. La feuille de verre est généralement constituée d'un verre présentant un coefficient d'expansion thermique du même ordre de grandeur que celui du verre mis en oeuvre à l'étape a). Avantageusement, le verre constituant ladite feuille possède une température de ramollissement plus élevée que celle du verre de l'étape a) de manière à éviter que la feuille puisse se déformer lors du scellement. Le scellement de la feuille de verre sur la pièce de verre moulé peut être effectué par collage à chaud, par exemple à l'aide d'une fritte de verre, ou à froid, par exemple à l'aide d'un adhésif organique, notamment un polymère, ou inorganique, ou par fusion chimique ou thermique du verre de la feuille et de la pièce moulée. De préférence, le scellement est effectué par fusion thermique. Le cas échéant, plusieurs pièces en verre moulé comportant des motifs d'impression sur l'une et/ou l'autre face peuvent être superposées pour former des dispositifs microfluidiques complexes à plusieurs niveaux. De telles structures superposées peuvent être pourvues d'une feuille de verre sur la ou les faces externes portant les motifs d'impression. Le dispositif microfluidique conforme à la présente invention est doté de d'orifices permettant de faire entrer et sortir les fluides circulants. Les orifices peuvent être réalisés au cours de l'étape b) de pressage du verre (orifices traversant l'épaisseur du verre) ou dans une étape ultérieure consistant à percer le verre, par exemple par la technique de sablage, ou à polir le verre sur la face opposée aux motifs imprimés de sorte qu'une cavité devienne un orifice traversant l'épaisseur du verre.

La figure 1 décrit de façon schématique les étapes du procédé permettant la fabrication d'un dispositif microfluidique portant des motifs d'impression sur une seule face. Une quantité de verre 1 obtenue par chauffage d'un barreau (non représenté) est placée entre les éléments 2, 3 composant le moule 4. La face interne 5 de l'élément 2 est pourvue de motif(s) d'impression. Le verre 1 est pressé entre les éléments 2, 3 au moyen d'une presse (non représentée) de sorte en particulier que le motif 7 sur la face 5 soit en contact avec la face 6. Sous l'effet de la pression, le verre se répartit dans l'espace délimité par les éléments 2, 3 en épousant la forme des motifs d'impression puis il se solidifie au contact desdits éléments. Les éléments 2, 3 sont séparés l'un de l'autre afin de libérer la pièce en verre moulé 8 qui est laissée refroidir à la température ambiante (de l'ordre de 20à 25 °C).

Sur la pièce 8 en verre moulé, on dépose une feuille de verre 9 qui est scellée, par exemple par voie thermique. Le dispositif microfluidique 10 obtenu est constitué de motifs d'impression sur une face qui peuvent être alimentés par l'autre face grâce à l'ouverture 11. La figure 2 décrit, également de façon schématique, les étapes du procédé permettant la fabrication d'un dispositif microfluidique portant des motifs d'impression sur deux faces. Par souci de simplification, les éléments communs avec la figure 1 portent les mêmes numéros La quantité de verre 1 est placée entre les éléments 2, 3 dont les faces 5 et 12 comportent des motifs d'impression.

Le verre est pressé dans les mêmes conditions que dans la figure 1, puis les éléments 2, 3 sont séparés en libérant la pièce 13 en verre moulé sur les deux faces. Après refroidissement, on applique une feuille de verre 9, 14 sur chaque face portant les motifs d'impression et on les scelle par fusion thermique.

Le dispositif microfluidique 16 obtenu est constitué de motifs d'impression sur les deux faces qui peuvent être alimentés grâce à l'ouverture 15. Le procédé conforme à la présente invention permet de fabriquer des dispositifs microfluidiques de manière économique et avec une productivité importante ; ce procédé possède en outre l'avantage de pouvoir s'adapter à la réalisation de dispositifs microfluidiques en faible quantité (petite série) avec une flexibilité importante en ce qui concerne la forme et les dimensions des motifs d'impressions grâce à l'emploi d'un moule unique qui peut être utilisé à une cadence élevée. L'exemple de réalisation donné ci-après permet d'illustrer l'invention sans toutefois la limiter. EXEMPLE 1 On réalise un dispositif microfluidique selon le procédé décrit dans la 10 Figure 1. Une quantité de verre 1 obtenu par chauffage d'un barreau de verre (non représenté) à une température de l'ordre de 1200°C est disposé entre les deux éléments 2, 3 du moule 4. Le barreau est constitué d'un verre de type borosilicate (Duran® commercialisé par Schott).

15 La face interne 5 de l'élément 2 comporte des motifs selon la Figure 3. Le motif 17 (trait continu) comprend une série de canaux 18 correspondant au dispositif microfluidique final et plusieurs séries 19 de canaux (trait discontinu) qui ont pour fonction de piéger les gaz émis au cours de l'étape ultérieure de scellement.

20 Les éléments 2, 3 sont appliqués l'un contre l'autre avec une pression de 5 bars pendant quelques secondes. Les deux éléments 2, 3 sont séparés l'un de l'autre et on récupère la pièce en verre moulé 8 qui présente une épaisseur de 4 mm. Les canaux 18 du motif 17 possèdent une section carrée dont le côté C est égal à 700 pm et les arêtes (a, b) desdits présentent un rayon de 25 courbure R qui varie de 350 à 400 pm (Figure 4). Sur la face portant les motifs imprimés de la pièce en verre moulé 8, on dépose une feuille 9 en verre (Eagle® 2000 commercialisée par Corning) de 630 pm d'épaisseur percée d'évidements débouchant aux extrémités des canaux 18.

30 L'ensemble pièce en verre moulé-feuille de verre est placé dans un four chauffé selon le cycle de température suivant : 840°C pendant 30 minutes, 720° pendant 20 minutes et 560°C pendant 20 minutes. On obtient le dispositif microfluidique fermé 10.

Claims (11)

1. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'un dispositif microfluidique qui comprend les étapes consistant à : a) disposer une quantité de verre ramolli entre les éléments d'un moule, la face interne d'au moins un desdits éléments comportant au moins un motif d'impression, b) presser ladite quantité de verre entre lesdits éléments, c) séparer lesdits éléments, d) collecter la pièce en verre moulé, et e) le cas échéant, recuire ladite pièce.
2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le verre est un verre silicaté du type borosilicate ou silico-sodo-calcique.
3. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le verre ramolli a une Tv) qui satisfait la relation suivante : TIogi=4 û 50°C < Tä < Tiogn=4 + 300°C dans laquelle T,ogn=4 représente la température à laquelle le verre a une viscosité ii égale à 104 poises.
4. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les éléments du moule sont constitués d'un matériau qui résiste à la température du verre ramolli et est inerte vis-à-vis du verre.
5. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le matériau présente un coefficient d'expansion thermique supérieur à celui du verre.
6. 6. Procédé selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que le matériau est le carbone ou un superalliage métallique, notamment à base de nickel.
7. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le(s) motif(s) d'impression présentent une largeur qui varie de 10 pm à 10 mm et une profondeur ou hauteur qui varie de 1 pm à 5 mm.
8. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'a l'étape b), les éléments du moule sont à une température (TM) qui satisfait la relation suivante : Tiogi=13 - 150°C < TM < Tiogi=13dans laquelle TIogn=13 est la température à laquelle le verre utilisé a une viscosité ii égale à 1013 poises.
9. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'on applique un matériau de démoulage sur la face interne des éléments du moule.
10. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'agent de démoulage est une poudre du même matériau que celui qui constitue les éléments du moule.
11. 11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape qui consiste à appliquer une feuille de verre sur la ou les faces portant le(s) motif(s) d'impression de la pièce en verre moulé et la sceller au verre moulé.