FR3042990A1 - Adaptateur microfluidique couplant deux zones d'ecoulement - Google Patents

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    • B01L2400/049—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific mechanical means and fluid pressure fluid pressure, pneumatics vacuum

Abstract

L'invention porte sur un adaptateur microfluidique adapté pour coupler une première zone d'écoulement à une deuxième zone d'écoulement, comportant : - une chambre microfluidique (3) de volume prédéterminé, - une entrée microfluidique (5) débouchant dans une première partie (37) de ladite chambre (3), ladite entrée microfluidique (5) étant configurée pour admettre un liquide dans ladite chambre microfluidique (3) selon un premier mode d'écoulement, - un évent (9) disposé dans une seconde partie (39) de ladite chambre microfluidique (3), ledit évent étant configuré pour évacuer l'air s'échappant des bulles d'air contenues dans ledit liquide lors d'un éclatement des bulles interfaciales, et - une sortie microfluidique (7) disposée dans la première partie (37) de la chambre microfluidique (3), ladite sortie microfluidique étant configurée pour évacuer ledit liquide libéré de ses bulles d'air selon un deuxième mode d'écoulement.

Description

ADAPTATEUR MICROFLUIDIQUE COUPLANT DEUX ZONES D'ECOULEMENT DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne les dispositifs microfluidiques et, plus particulièrement, un adaptateur microfluidique pour coupler une première zone d'écoulement à une deuxième zone d'écoulement. L'invention trouve des applications dans de nombreux domaines, comme entres autres les domaines de la recherche médicale, de la chimie, de la biologie et de la pharmaceutique.
ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE
Dans de nombreux domaines, on cherche à manipuler et contrôler l'écoulement d'un liquide pour analyser des échantillons de petit volume dans un dispositif microfluidique. Ce peut être le cas, par exemple, pour établir des interactions biologiques et/ou chimiques entre deux solutions pour une analyse chimique, un diagnostic biologique ou médical, ou encore dans le domaine du génie génétique ou agro-alimentaire.
Toutefois, la manipulation d'un liquide par exemple, lors d'un remplissage d'une chambre microfluidique afin de réaliser des analyses chimiques ou biologiques peut par inadvertance ou de manière incontrôlée introduire des bulles d'air dans la chambre qui peuvent affecter la performance et les résultats de l'analyse. Il est ainsi important d'éliminer ou d'empêcher la formation des bulles indésirables.
Il existe plusieurs travaux mentionnant des techniques d'élimination de bulles d'air. Par exemple, l'article de Chang et Jiang intitulé « A debubblerfor microfluidics utilizing air-liquid interfaces », Applied Physics Letters, (vol. 95, nO. 21, p.214103, Nov. 2009) décrit un dispositif formant des piliers d'air entre un support et un capot comprenant des trous. Les piliers d'air permettent l'éclatement des bulles et l'échappement de l'air par les trous sur le capot. Une autre technique consiste à éliminer les bulles à postériori en utilisant un matériau poreux. Toutefois, ces deux techniques sont propices à l'évaporation du liquide.
Une autre technique consiste à contrôler le front de remplissage d'une chambre par une modification assez complexe de la structure de la chambre accueillant le liquide.
En outre, pour certaines applications microfluidiques, il est avantageux de faire passer le liquide entre deux zones présentant différents modes de déplacement. Toutefois, toutes les techniques connues ne sont pas adaptées pour transférer un liquide depuis un premier circuit microfluidique présentant un premier mode de déplacement vers un deuxième circuit microfluidique présentant un deuxième mode de déplacement. L'objet de la présente invention est par conséquent de remédier aux inconvénients précités en proposant un adaptateur microfluidique permettant de faire un lien efficace entre deux zones d'écoulement microfluidiques pouvant être de natures différentes tout en éliminant les bulles d'air.
EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention a pour objet un adaptateur microfluidique adapté pour coupler une première zone d'écoulement à une deuxième zone d'écoulement, comportant : - une chambre microfluidique de volume prédéterminé, - une entrée microfluidique débouchant dans une première partie de ladite chambre, ladite entrée microfluidique étant configurée pour admettre un liquide dans ladite chambre microfluidique selon un premier mode d'écoulement, - un évent disposé dans une seconde partie de ladite chambre microfluidique, ledit évent étant configuré pour évacuer l'air s'échappant des bulles d'air contenues dans ledit liquide lors d'un éclatement des bulles interfaciales, et - une sortie microfluidique disposée dans la première partie de la chambre microfluidique, ladite sortie microfluidique étant configurée pour évacuer ledit liquide libéré de ses bulles d'air selon un deuxième mode d'écoulement.
Ainsi, l'adaptateur microfluidique permet de facilement et efficacement transférer un liquide depuis la première zone d'écoulement vers la deuxième zone d'écoulement (pouvant être de différente nature que celle de la première zone d'écoulement) tout en empêchant l'injection de bulles d'air dans la deuxième zone.
Avantageusement, l'entrée microfluidique est configurée pour être reliée à un premier circuit microfluidique et la sortie microfluidique est configurée pour être reliée à un deuxième circuit microfluidique.
Ceci permet de coupler deux circuits microfluidiques ayant deux fonctions différentes et pouvant présenter des modes d'écoulements a priori incompatibles.
Avantageusement, ledit adaptateur est configuré pour être relié aux premier et deuxième circuits microfluidiques selon une orientation prédéterminée disposant la première partie de la chambre microfluidique à un niveau inférieur à celui de la seconde partie, les notions d'inférieur et de supérieur étant liées au champ de la pesanteur.
Ainsi, le champ gravitationnel facilite le drainage du liquide par la sortie tandis que la poussée d'Archimède empêche les bulles de s'approcher de cette sortie en les faisant monter à la surface du liquide où elles éclatent en dégageant de l'air qui s'échappe par l'évent.
Avantageusement, l'entrée microfluidique débouche dans la chambre microfluidique à un niveau supérieur ou égal à celui de la sortie microfluidique.
Ceci permet de créer une marche tendant à drainer le liquide vers la sortie pendant que les bulles d'airs montent à la surface.
Avantageusement, l'entrée microfluidique comporte un canal d'entrée microfluidique adapté pour être relié au premier circuit microfluidique, la sortie microfluidique comporte un canal de sortie microfluidique adapté pour être relié au deuxième circuit microfluidique, et l'évent comporte un canal d'évacuation adapté pour faire évacuer l'air.
Ceci permet de faciliter le couplage entre les premier et deuxième circuits via l'adaptateur microfluidique.
Avantageusement, le canal d'entrée microfluidique est adapté pour un écoulement sous pression et le canal de sortie microfluidique est adapté pour un écoulement capillaire spontané.
Ainsi, en éliminant les bulles d'air, l'adaptateur microfluidique permet le transfert du liquide depuis une zone dans laquelle le liquide se déplace sous pression vers une autre zone dans laquelle le liquide se déplace par capillarité en évitant le blocage de l'écoulement capillaire vers la deuxième zone.
Avantageusement, le canal de sortie microfluidique comporte des parois hydrophiles.
La ou les parois hydrophile(s) du canal de sortie engendre(nt) une action capillaire spontanée qui facilite l'écoulement du liquide vers le deuxième circuit.
Avantageusement, l'angle de contact du liquide sur au moins une paroi du canal microfluidique de sortie est inférieur à 60° et de préférence inférieur à 30°.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le premier circuit microfluidique est un circuit d'écoulement sous pression et le deuxième circuit microfluidique est un circuit d'écoulement capillaire.
Ainsi, l'adaptateur permet d'adapter un écoulement aval capillaire à un écoulement amont sous pression sans blocage de l'écoulement tout en filtrant ou éliminant les bulles d'air. De plus, l'adaptateur microfluidique permet de remplir le circuit capillaire avec le volume total du liquide injecté en minimisant le gaspillage (i.e., sans la nécessité de préparer un surplus d'un liquide qui ne sera pas utilisé dans le circuit capillaire).
Avantageusement, l'adaptateur comporte au moins une vanne installée dans au moins l'un des canaux d'entrée, de sortie, et d'évacuation.
Ceci permet d'arrêter ou de modifier le débit du liquide admis dans la chambre microfluidique depuis le premier circuit microfluidique, et/ou d'arrêter ou modifier le débit du liquide transporté depuis la chambre microfluidique vers le deuxième circuit microfluidique, et/ou d'arrêter ou contrôler l'évacuation de l'air vers l'atmosphère.
Selon un autre mode de réalisation de l'invention, les canaux d'entrée et de sortie microfluidiques sont adaptés pour un écoulement sous pression.
Avantageusement, le volume de la chambre microfluidique est supérieur au volume total du liquide admis dans ladite chambre microfluidique.
Avantageusement, l'évent présente un diamètre d'environ 300pm à 1mm ; le canal d'évacuation présente une section d'environ 300pm x 300pm à 1mm x 1mm ; le canal d'entrée microfluidique présente une section d'environ 500pm x 300pm ; le canal de sortie microfluidique présente une section d'environ 300pm x 300pm et le volume de la chambre microfluidique est d'environ 20 μΙ à 30 μΙ.
Avantageusement, le volume prédéterminé de la chambre microfluidique est supérieur à un volume critique défini en fonction d'un volume total du liquide injecté dans la chambre microfluidique et/ou des débits d'entrée et de sortie du liquide.
Ceci permet de s'assurer que le remplissage de la chambre microfluidique ne soit pas plus rapide que la vidange.
Avantageusement, la chambre microfluidique présente un volume interne ayant une configuration concave.
Avantageusement, la chambre microfluidique présente des parois internes hydrophiles avec une section divergente du côté de l'entrée microfluidique et une section convergente du côté de la sortie microfluidique.
Ainsi, la section divergente augmente le volume de la chambre microfluidique tandis que la section convergente réduit la section pour mieux drainer le liquide vers la sortie. On notera que la réalisation des parois internes hydrophiles sur toutes les surfaces internes de la chambre est plus simple en pratique qu'une réalisation sur seulement une partie des surfaces internes.
Avantageusement, l'adaptateur microfluidique comporte une pluralité d'évents, et/ou une pluralité de sorties microfluidiques, et/ou une pluralité d'entrées microfluidiques. L'invention vise également un dispositif microfluidique comportant un premier circuit microfluidique, un deuxième circuit microfluidique et un adaptateur microfluidique selon l'une quelconque des caractéristiques précédentes, le premier circuit microfluidique étant couplé au deuxième circuit microfluidique par l'intermédiaire dudit adaptateur.
Avantageusement, le premier circuit microfluidique, le deuxième circuit microfluidique, et l'adaptateur microfluidique sont formés en un seul tenant.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le premier circuit microfluidique du dispositif microfluidique est un circuit d'écoulement sous pression tandis que le deuxième circuit microfluidique est un circuit d'écoulement capillaire.
Avantageusement, le deuxième circuit microfluidique comporte des canaux alimentant un réseau de cellules réactionnelles.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
On décrira à présent, à titre d'exemples non limitatifs, des modes de réalisation de l'invention, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels :
La Fig. 1 illustre de manière très schématique un adaptateur microfluidique entre deux zones d'écoulement, selon un mode de réalisation de l'invention ;
La Fig. 2 illustre de manière schématique un adaptateur microfluidique reliant deux circuits d'écoulement, selon un mode de réalisation de l'invention ;
La Fig. 3 illustre de manière schématique un adaptateur microfluidique reliant deux circuits d'écoulement, selon un autre mode de réalisation de l'invention ;
La Fig. 4 illustre de manière schématique des adaptateurs microfluidiques ayant différentes formes de chambres microfluidiques, selon différents modes de réalisation de l'invention ;
Les Fig. 5A et 5B illustrent de manière schématique un adaptateur microfluidique reliant un premier circuit adapté pour un écoulement par pression à un deuxième circuit adapté pour un écoulement capillaire, selon un mode de réalisation de l'invention ;
La Fig. 6 illustre de manière schématique un adaptateur microfluidique reliant des premier et deuxième circuits à écoulement sous pression, selon un autre mode de réalisation de l'invention ; et
La Fig. 7 illustre de manière schématique un dispositif microfluidique comprenant un adaptateur microfluidique, selon un mode de réalisation de l'invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ D'UN MODE DE RÉALISATION PRÉFÉRÉ
Le concept à la base de l'invention consiste à adapter l'écoulement d'un liquide entre une première zone et une deuxième zone tout en empêchant les bulles d'air de pénétrer dans la deuxième zone.
La Fig. 1 illustre de manière très schématique un adaptateur microfluidique entre deux zones d'écoulement, selon un mode de réalisation de l'invention.
Conformément à l'invention, l'adaptateur microfluidique 1 comporte une chambre microfluidique 3, une entrée microfluidique 5, une sortie microfluidique 7 et un évent 9.
La chambre microfluidique 3 a un volume prédéterminé et est délimitée par une paroi latérale 31 et par des première et deuxième parois 33, 35 à deux extrémités de la chambre 3. La première paroi 33 avec une partie connexe de la paroi latérale 31 forment une première partie 37 de la chambre microfluidique 3 définissant une partie de réserve destinée à contenir un liquide. En revanche, la deuxième paroi 35 avec l'autre partie de la paroi latérale 31 forment une seconde partie 39 de la chambre microfluidique 3 définissant une partie d'évacuation d'air. Selon cet exemple, la chambre microfluidique 3 est représentée selon une forme cylindrique mais peut avoir une toute autre forme (voir les exemples de la Fig. 4). L'entrée microfluidique 5 débouche dans la première partie 37 de la chambre microfluidique 3 et est configurée pour admettre un liquide dans la chambre microfluidique 3 et plus précisément dans la première partie 37 de la chambre 3, selon un premier mode d'écoulement. L'évent 9 est disposé dans la seconde partie 39 de la chambre microfluidique 3 et est configuré pour évacuer l'air s'échappant des bulles d'air contenues dans le liquide lors de l'éclatement des bulles interfaciales. L'air en excès s'échappant de l'évent 9 permet d'éviter la montée d'une surpression dans la chambre microfluidique 3, qui peut éventuellement pousser des bulles d'air dans le canal de sortie 71. Par bulles d'air on entend aussi le cas où le liquide arrive par intermittence entrecoupé éventuellement par des arrivées d'air. Par exemple, un premier volume de 5pL de liquide est admis dans la chambre microfluidique 3 suivi par l'arrivée de 10pL d'air et suivi ensuite par l'admission d'un deuxième volume de 8pL de liquide, etc.
Avantageusement, l'évent 9 est disposé dans la deuxième paroi 35 de la chambre microfluidique 3. Dans ce cas, la première partie 37 de la chambre microfluidique 3 occupe presque la totalité du volume prédéterminée de la chambre 3 et la deuxième partie 39 de la chambre 3 se limite pratiquement à la deuxième paroi 35 de cette chambre 3.
La sortie microfluidique 7 est disposée dans la première partie 37 de la chambre microfluidique 3 et est configurée pour évacuer le liquide libéré de ses bulles d'air selon un deuxième mode d'écoulement. Le deuxième mode d'écoulement peut être de nature différente de celle du premier mode d'écoulement ou de la même nature que celle du premier mode d'écoulement.
Ainsi, l'adaptateur microfluidique 3 est adapté pour admettre un liquide via l'entrée microfluidique 5 depuis une première zone d'écoulement 11 pour ensuite le transporter vers une deuxième zone d'écoulement 13 via la sortie microfluidique 7 tout en empêchant des bulles d'air d'entrer dans cette deuxième zone d'écoulement 13.
Par ailleurs, on notera que l'adaptateur microfluidique 3 peut comporter une pluralité d'évents 9, et/ou une pluralité de sorties microfluidiques 7, et/ou une pluralité d'entrées microfluidiques 5.
La Fig. 2 illustre de manière schématique un adaptateur microfluidique reliant deux circuits d'écoulement, selon un mode de réalisation de l'invention.
Cet exemple représente la chambre microfluidique 3 également sous une forme cylindrique délimitée par une paroi cylindrique 31 et par des première et deuxième parois 33, 35 sensiblement parallèles. La première partie 37 de la chambre microfluidique 3 est délimitée par la première paroi 33 (située à une première extrémité de la chambre 3) et par une partie connexe de la paroi cylindrique 31. La seconde partie 39 de la chambre microfluidique 3 est délimitée par la deuxième paroi 35 (située à une deuxième extrémité de la chambre) et par la partie complémentaire de la paroi cylindrique 31.
Dans toute la description qui va suivre, par convention, on utilise un repère orthonormé direct en coordonnées cartésiennes (Χ,Υ,Ζ) présenté sur la Fig. 2. Le plan (X,Y) est parallèle aux première et deuxième parois 33, 35 et la direction Z est orientée à partir de la première paroi 33 vers la deuxième paroi 35. L'entrée 5 et la sortie 7 microfluidiques sont disposées dans la première partie 37 de la chambre microfluidique 3, tandis que l'évent 9 est disposé dans la seconde partie 39 de la chambre microfluidique 3 et avantageusement, tout en haut de la chambre microfluidique 3 (i.e. au niveau de la deuxième paroi 35). A titre d'exemple, la sortie microfluidique 7 est disposée au fond de la chambre microfluidique 3 (i.e. au niveau de la première paroi 33). Avantageusement, l'entrée microfluidique 5 débouche dans la chambre microfluidique 3 à un niveau supérieur ou égal à celui de la sortie microfluidique 7 créant ainsi une marche favorisant le déplacement du liquide par pesanteur vers la sortie microfluidique 7.
Selon cet exemple, l'entrée microfluidique 5 est configurée pour être reliée à un premier circuit microfluidique 11 et la sortie microfluidique 7 est configurée pour être reliée à un deuxième circuit microfluidique 13. Ainsi, le premier circuit microfluidique 11 est en amont et le deuxième circuit microfluidique 13 est en aval et peuvent présenter différents modes d'écoulements.
Plus particulièrement, l'adaptateur microfluidique 1 est configuré pour être relié aux premier et deuxième circuits microfluidiques 11, 13 selon une orientation prédéterminée disposant la première partie 37 de la chambre microfluidique 3 à un niveau inférieur à celui de la seconde partie 39. Les notions d'inférieur (ou bas) et supérieur (ou haut) sont liées au champ de la pesanteur. Autrement dit, et comme représenté sur la Fig. 2, la première paroi 33 et plus bas que la deuxième paroi 35 et le sens de l'axe Z est orienté dans le sens contraire de la pesanteur.
Le déplacement du liquide peut se faire selon trois modes actionnés par trois forces différentes. Les forces peuvent être appliquées de manière autonome ou de manière combinée. Une première force est une force de pression exercée par exemple via une pompe qui pousse le liquide en provenance du premier circuit 11 dans la chambre microfluidique 3. Une deuxième force est une force dite de capillarité qui dépend de l'angle de contact du liquide par rapport aux parois internes de la chambre microfluidique 3. Cette deuxième force permet de déplacer le liquide par drainage capillaire depuis l'entrée microfluidique 5 vers la sortie microfluidique 7. Une troisième force est la force de pesanteur. Cette dernière peut agir en combinaison avec la force capillaire pour déplacer le liquide depuis l'entrée microfluidique 5 vers la sortie microfluidique 7.
Ainsi, le liquide en provenance du premier circuit 11 est admis via l'entrée microfluidique 5 dans la première partie 37 de la chambre microfluidique 3 par l'action de la pression. En outre, la pesanteur et/ou la force capillaire permet au liquide d'être drainé via la sortie 7 vers le deuxième circuit microfluidique 13.
Par ailleurs, l'action de la poussée d'Archimède empêche les bulles de s'approcher de la sortie 7 en les faisant monter à la surface du liquide où elles éclatent en dégageant de l'air qui s'échappe ensuite par l'évent 9. En outre, dans le cas où le mode de remplissage du deuxième circuit 13 est capillaire, la séparation des bulles se fait en plus de la poussée d'Archimède par l'action de la force capillaire car cette dernière agit exclusivement sur le liquide et n'a aucune action sur les bulles d'air.
Ainsi, dans le cas où le mode de remplissage du deuxième circuit 13 est capillaire et la chambre microfluidique 3 est hydrophile, le remplissage de la chambre 3 se fait par pression. La séparation des bulles d'air se fait par la conjugaison de l'action d'une poussée d'Archimède sur les bulles et de l'action capillaire sur le liquide. En outre, le drainage du liquide de l'entrée microfluidique 5 vers la sortie microfluidique 7 se fait par la combinaison de la force capillaire et de la pesanteur. Le poids de chacune des forces dépend du volume du liquide (i.e. de sa masse), de l'angle de contact du liquide et de la géométrie de la chambre microfluidique 3. Selon les modes de réalisation de la présente invention, la force capillaire est beaucoup plus grande que la force de la pesanteur.
En revanche, dans le cas où le mode de remplissage du deuxième circuit 13 est par pression, le remplissage de la chambre 3 se fait par pression. La séparation des bulles d'air se fait uniquement par l'action d'une poussée d'Archimède sur les bulles. Finalement, le drainage du liquide de l'entrée microfluidique 5 vers la sortie microfluidique 7 se fait par pression et par l'action de la pesanteur. En particulier, la pesanteur a pour effet de garantir la présence du liquide au niveau de la sortie microfluidique 7 évitant ainsi que l'air soit poussé dans cette dernière.
Avantageusement, le couplage de l'adaptateur microfluidique 1 aux premier et deuxième circuits microfluidiques 11, 13 est réalisé par l'intermédiaire des canaux microfluidiques ayant par exemple, des sections rectangulaires. En effet, l'entrée microfluidique 5 comporte un canal d'entrée microfluidique 51 adapté pour être relié au premier circuit microfluidique 11 et de même, la sortie microfluidique 7 comporte un canal de sortie microfluidique 71 adapté pour être relié au deuxième circuit microfluidique 13. L'évent 9 comporte également un canal d'évacuation 91 adapté pour faire évacuer l'air.
La Fig. 3 illustre de manière schématique un adaptateur microfluidique reliant deux circuits d'écoulement, selon un autre mode de réalisation de l'invention. L'adaptateur microfluidique 1 de la Fig. 3 est identique à celui de la Fig. 2 sauf pour le fait que chacun des canaux d'entrée 51 et d'évacuation 91 comporte une vanne.
En effet, le canal d'entrée microfluidique 51 comprend une vanne d'entrée 53 adaptée pour arrêter ou modifier le débit du liquide admis dans la chambre microfluidique 3 depuis le premier circuit microfluidique 11. Le canal d'évacuation 91 comprend une vanne d'évacuation 93 adaptée pour arrêter ou contrôler l'évacuation de l'air vers l'atmosphère. On notera que le canal de sortie microfluidique 71 peut également comprendre une vanne de sortie (non représentée) adaptée pour arrêter ou modifier le débit du liquide transporté depuis la chambre microfluidique 3 vers le deuxième circuit microfluidique 13.
En variante, l'adaptateur microfluidique peut comporter une seule vanne installée dans l'un quelconque des canaux d'entrée 51, d'évacuation 91 et de sortie 71.
La Fig. 4 illustre de manière schématique des adaptateurs microfluidiques ayant différentes formes de chambres microfluidiques, selon différents modes de réalisation de l'invention.
Plus particulièrement la Fig. 4 représente des vues de dessous montrant les premières parois 133-1133 des différentes chambres microfluidiques 103-1103 dans un plan (X, Y). Selon ces différents exemples, les canaux de sortie 71 et d'entrée 51 ne sont pas forcément disposés dans le même plan. En effet, le canal de sortie 71 est avantageusement disposé plus bas (dans la direction Z) que le canal d'entrée 51.
Plus particulièrement, le premier exemple montre un adaptateur microfluidique 101 comportant une chambre microfluidique 103 ayant une section triangulaire (dans un plan (X, Y)) du côté du canal de sortie 71 et une section circulaire du côté du canal d'entrée 51. Le canal de sortie 71 émerge au niveau d'un sommet de la section triangulaire tandis que le canal d'entrée 51 débouche au niveau de la section circulaire.
Le deuxième exemple montre un adaptateur microfluidique 201 comportant une chambre microfluidique 203 ayant une section triangulaire. Le canal de sortie 71 émerge depuis un sommet de la section triangulaire et le canal d'entrée 51 débouche au milieu du côté opposé à ce sommet.
Le troisième exemple montre un adaptateur microfluidique 301 comportant une chambre microfluidique 303 ayant une section circulaire formant ainsi une chambre cylindrique comme celle représentée sur les Figs. 1 à 3.
Le quatrième exemple montre un adaptateur microfluidique 401 comportant une chambre microfluidique 403 ayant une section ovale pointue sur un côté du grand axe de l'ovale et arrondie sur le côté opposé. Le canal de sortie 71 apparaît au niveau du côté pointu et le canal d'entrée 51 aboutit au niveau du côté arrondi.
Les autres exemples montrent des adaptateurs microfluidiques 501-1101 ayant d'autres configurations ou formes géométriques.
On notera que la majorité des exemples (à l'exception des trois derniers adaptateurs microfluidiques 901, 1001, 1101) montrent que le volume interne de chaque chambre microfluidique possède une configuration concave (i.e., tout segment reliant deux points du volume interne est inscrit dans le volume interne).
Par ailleurs, chacune des chambres microfluidiques 103, 203,403 et 801 présente une forme convergente au voisinage du canal de sortie 71 et divergente au voisinage du canal d'entrée 51. La partie divergente permet d'augmenter le volume de la chambre microfluidique tandis que la partie convergente permet de mieux drainer le liquide vers la sortie.
Pour faciliter encore davantage l'évacuation du liquide via la sortie, les parois internes de la partie convergente de chacune des chambres microfluidiques 103, 203, 403 sont couvertes d'une couche hydrophile tandis que les parois internes de la partie divergente sont couvertes d'une couche hydrophobe. En variante, pour des raisons pratiques de fabrication, toute la surface interne de chacune des chambres microfluidiques est hydrophile.
Avantageusement, la majorité des chambres microfluidiques (à l'exception des chambres 203 et 1133) ne comportent pas d'angles vifs, ce qui favorise un bon drainage du liquide vers la sortie 7. En effet, des angles vifs au niveau de la sortie 7 peuvent empêcher un bon drainage capillaire vers la sortie. De même, des angles vifs à l'intérieur d'une chambre microfluidique 3 hydrophile peuvent retenir le liquide par des forces capillaires empêchant ainsi le bon drainage du liquide vers la sortie 7.
La Fig. 5A illustre de manière schématique un adaptateur microfluidique reliant un premier circuit adapté pour un écoulement par pression à un deuxième circuit adapté pour un écoulement capillaire, selon un mode préféré de réalisation de l'invention.
Plus particulièrement la Fig. 5A représente une vue de dessous montrant un adaptateur microfluidique 1 relié à des premier et deuxième circuits 11, 13 dans un plan (X, Y). A titre d'exemple le premier circuit 11 peut comporter des filtres qui peuvent nécessiter un écoulement du liquide sous pression grâce à des pompes 12. Le deuxième circuit correspond par exemple à un réseau de cellules microfluidiques 14 comprenant des réactifs pour réaliser des réactions chimiques ou biologiques où un remplissage par capillarité présente certains avantages. En effet, le remplissage par capillarité favorise un remplissage complet de toutes les cellules du réseau, ce qui est difficile à réaliser en écoulement sous pression.
Le volume prédéterminé de la chambre microfluidique 3 est choisi supérieur à un volume critique défini en fonction du volume total du liquide qui doit être injecté dans la chambre 3 et/ou des débits d'entrée et de sortie du liquide. Ce volume critique permet de s'assurer que le remplissage de la chambre microfluidique 3 par un écoulement sous pression ne soit pas plus rapide que sa vidange par un écoulement capillaire. Ceci est assuré soit lorsque le volume de la chambre microfluidique 3 est supérieur ou égal au volume total du liquide injecté dans la chambre 3 soit lorsque le débit d'entrée du liquide est inférieur ou égal au débit de sortie. Le volume critique peut aussi être défini par une combinaison astucieuse de ces deux contraintes. A titre d'exemple, pour un volume total du liquide injecté de 30 μΙ à un débit d'entrée de l'ordre de 100 μΙ/min, la chambre microfluidique 3 peut avoir un volume prédéterminé entre 20 μΙ et 30 μΙ. En particulier, le volume de la chambre microfluidique 3 peut être de l'ordre de 25 μΙ avec un débit de sortie de l'ordre de 120 μΙ/min. Par exemple, l'aire de la première paroi peut être de l'ordre de 7 mm et la hauteur de la chambre microfluidique 3 peut être de l'ordre de 3,5 mm.
Par ailleurs, le canal de sortie microfluidique 71 est avantageusement disposé à l'extrémité inférieure de la chambre microfluidique 3 et de préférence sur la première paroi. Selon cet exemple, le canal d'entrée microfluidique 51 est également disposé à l'extrémité inférieure de la chambre microfluidique 3 mais il peut bien entendu, être disposé sur la paroi latérale de cette chambre 3.
Le canal d'entrée microfluidique 51 est adapté pour un écoulement sous pression et le canal de sortie microfluidique 71 est adapté pour un écoulement capillaire spontané.
En effet, le canal de sortie microfluidique 71 présente une section plus petite que celle du canal d'entrée microfluidique 51. En particulier, pour un même liquide et un même revêtement de surface, l'écoulement capillaire est plus efficace lorsque la section du canal de sortie microfluidique 71 est plus petite. A titre d'exemple, pour une chambre microfluidique 3 ayant un volume de l'ordre de 25 pl, le canal de sortie microfluidique 71 a une section d'environ 300pm x 300pm et le canal d'entrée microfluidique 51 a une section d'environ 500pm x 300pm. Ceci permet au canal d'entrée 51 d'être plus adapté pour un écoulement sous pression et permet au canal de sortie 71 d'être plus adapté pour un écoulement capillaire.
En outre, afin de garantir un bon écoulement capillaire spontané, le canal microfluidique de sortie 71 est réalisé avec des parois hydrophiles présentant des petits angles de contact inférieur à 60° et de préférence inférieur à 30°. A titre d'exemple, la Fig. 5B montre un canal microfluidique de sortie 71 ayant une paroi supérieure 73 et des parois latérales 74, 75 recouvertes d'une couche hydrophile présentant un angle de contact de l'ordre de 10°. La paroi inférieure 76 peut être constituée d'un fin papier adhésif non traité et présentant un angle de contact de l'ordre de 60° (i.e., moins hydrophile que les trois autres parois).
Avantageusement, l'évent 9 présente une ouverture de largeur supérieure à la taille des bulles d'air afin d'empêcher ces dernières d'obstruer l'évent 9 et donc d'éviter la montée d'une surpression qui peut éventuellement pousser des bulles d'air dans le canal de sortie 71. A titre d'exemple, l'évent 9 peut présenter un diamètre d'environ 300pm à 1mm. Pour certaines applications, la chambre microfluidique 3 peut même être complètement ouverte sur sa partie supérieure (i.e., ne comportant pas de deuxième paroi) et dans ce cas, le diamètre de l'évent est le même que celui de la chambre microfluidique 3. En outre, l'évent 9 peut avantageusement comporter une arête adaptée pour empêcher le liquide ou les bulles d'air de boucher l'ouverture de l'évent 9.
Selon ce mode de réalisation, le canal d'évacuation 91 est avantageusement disposé à l'extrémité supérieure de la chambre microfluidique 3 et plus précisément sur le plafond (i.e. la deuxième paroi) de cette chambre 3. Le canal d'évacuation 91 peut présenter une section d'environ 300pm x 300pm à 1mm x 1mm.
Ainsi, lorsqu'un liquide (contenant par inadvertance ou de manière incontrôlée des bulles d'air) pénètre via le canal d'entrée 51 dans la chambre microfluidique 3, les bulles d'air à cause de leur faible densité, montent en surface. L'excès d'air s'échappant de l'éclatement des bulles d'air en surface est évacué par l'évent 9 prévenant ainsi la formation d'une surpression qui autrement, aurait poussé les bulles d'air avec le liquide dans le canal de sortie 71.
Par ailleurs, lorsque le liquide atteint la sortie microfluidique 7, l'action capillaire du canal de sortie 7 transporte le liquide vers le deuxième circuit 13. En revanche, les bulles d'air ne rentrent pas dans le canal de sortie 13 car elles restent en surface du liquide dans la chambre microfluidique 3 et de plus, l'action capillaire n'agit pas sur elles.
Par ailleurs, on notera que l'adaptateur microfluidique 1 de la Fig. 5 peut comporter une chambre microfluidique ayant une toute autre forme comme par exemple celles représentées sur la Fig. 4.
La Fig. 6 illustre de manière schématique un adaptateur microfluidique reliant des premier et deuxième circuits à écoulement sous pression, selon un autre mode de réalisation de l'invention.
Selon ce mode de réalisation, les canaux d'entrée 51 et de sortie 71 microfluidiques sont adaptés pour un mode d'écoulement sous pression et le volume de la chambre microfluidique 3 est supérieur au volume total du liquide qui doit être admis dans la chambre 3.
Le canal de sortie microfluidique 71 est avantageusement disposé à l'extrémité inférieure de la chambre microfluidique 3 et de préférence sur la première paroi. Selon cet exemple, le canal d'entrée microfluidique 51 est également disposé à l'extrémité inférieure de la chambre microfluidique 3 mais il peut bien entendu être disposé sur la paroi latérale de cette chambre 3.
On notera que selon ce mode de réalisation, les parois du canal de sortie 71 peuvent ne pas être recouvertes de couches hydrophiles. De même, les parois de la chambre microfluidique 3 peuvent ne pas être recouvertes de couches hydrophiles.
En outre, comme précédemment, l'évent 9 empêche la création d'une surpression dans la chambre microfluidique 3. Le canal d'évacuation 91 est disposé sur le plafond (i.e. la deuxième paroi) de la chambre microfluidique 3. On notera que selon ce mode de réalisation où le remplissage du deuxième circuit 13 est par pression, la taille de l'évent peut être quelconque et pas forcement supérieure à celles des bulles.
Par ailleurs, le canal d'entrée microfluidique 51 comporte une vanne d'entrée 53 et le canal d'évacuation 91 comporte une vanne d'évacuation 93. Ces vannes d'entrée 53 et d'évacuation 93 peuvent être commandées par un mécanisme d'actionnement 65 pneumatique ou mécanique. Il est avantageux d'avoir aussi une vanne dans le canal microfluidique de sortie 71 afin d'éviter un remplissage prématuré du deuxième circuit 13. En variante, l'adaptateur microfluidique 1 peut comporter une seule vanne sur l'un ou l'autre des canaux d'entrée 51, d'évacuation 91 et de sortie 71.
Ainsi, lorsqu'un liquide (contenant par inadvertance ou de manière incontrôlée des bulles d'air) est injecté via le canal d'entrée 51 dans la chambre microfluidique 3, les bulles d'air à cause de leur faible densité, montent en surface. L'excès d'air s'échappant de l'éclatement des bulles d'air en surface est évacué par l'évent 9 prévenant ainsi la formation d'une surpression. Dès que le volume total du liquide a été injecté dans la chambre microfluidique 3, l'un ou l'autre des canaux d'évacuation 91 et d'entrée 51 est fermé par la vanne 93, 53 correspondant et une pression est appliquée à travers l'un ou l'autre des canaux d'évacuation 91 et d'entrée 51 qui n'a pas été fermé. La vanne 53, 93 est actionnée par le mécanisme 65 et la pression pour pousser le liquide peut être appliquée soit manuellement par une pipette ou via un réseau de canaux connecté par exemple à des pompes péristaltiques ou à une pousse seringue.
On notera, que le volume du liquide injecté est avantageusement choisi inférieur au volume prédéterminé de la chambre microfluidique 3 mais supérieur à la capacité volumique du deuxième circuit 13 microfluidique. Ainsi, la pression appliquée dans la chambre microfluidique 3 pousse le liquide à travers le canal de sortie 71 vers le deuxième circuit 13 sans pousser les bulles d'air car le liquide retenu dans la chambre microfluidique 3 est largement suffisant pour remplir ce deuxième circuit 13.
La Fig. 7 illustre de manière schématique un dispositif microfluidique comprenant un adaptateur microfluidique, selon un mode de réalisation de l'invention.
Le dispositif microfluidique 111 comporte un premier circuit microfluidique 11, un deuxième circuit microfluidique 13 et un adaptateur microfluidique 1 L'adaptateur microfluidique 1 est similaire à l'un quelconque de modes de réalisation décrit précédemment et les modes d'écoulements des premier et deuxième circuits 11,13 peuvent être de même nature ou de natures différentes. L'adaptateur microfluidique 1 correspond ainsi à une interface entre une première zone 11 d'écoulement et une deuxième zone 13 d'écoulement pouvant être de différente nature que celle de la première zone d'écoulement. Cette interface permet de transférer un liquide depuis la première zone 11 d'écoulement vers la deuxième zone 13 d'écoulement tout en prévenant le transfert de bulles d'air dans la deuxième zone 13.
Avantageusement, le premier circuit 11 microfluidique, le deuxième circuit 13 microfluidique, et l'adaptateur microfluidique 1 sont formés d'un seul tenant.
Le fait que le dispositif microfluidique 111 est formé d'un seul tenant ou en une seule pièce permet de s'affranchir des contraintes technologiques liées à des problèmes de connexion. En effet, aucune connectique n'est nécessaire entre d'une part l'adaptateur microfluidique 1 et d'autre part, chacun des premier et deuxième circuits 11,13.
De plus, un dispositif microfluidique 111 formé d'un seul tenant permet d'optimiser la qualité de transfert du liquide depuis le premier circuit 11 vers le deuxième circuit 13 sans l'introduction des bulles d'air dans le deuxième circuit 13.
Le dispositif microfluidique 111 peut par exemple être constitué d'un premier substrat 112 disposé en-dessous d'un deuxième substrat 114 et renfermant les premier et deuxième circuits 11, 13 microfluidiques ainsi que l'adaptateur microfluidique 1. Les canaux d'entrée 51 et de sortie 71 ainsi que la cavité de la chambre microfluidique 3 peuvent être formés dans le premier substrat 112 tandis que l'évent 9 et le canal d'évacuation 91 peuvent être formés dans le deuxième substrat 114. Par ailleurs, les réseaux microfluidiques des premier et deuxième circuits peuvent être formés sur l'un ou l'autre des premier et deuxième substrats 112,114.
Ainsi, les mêmes substrats 112,114 sont utilisés pour former en un seul tenant le premier circuit 11 microfluidique, le deuxième circuit 13 microfluidique et l'adaptateur microfluidique 1.
Le matériau du premier substrat 112 et/ou du deuxième substrat 114 peut être sélectionné parmi un grand choix de matériaux comme par exemple, du polymère polycarbonate, du PMMA, du COC, du silicium, du papier, etc.
Les orifices, les cavités, et les canaux microfluidiques peuvent être usinés selon des procédés connus par les industries de la plasturgie telles que l'usinage mécanique avec une machine à commande numérique, par impression 3D, ou de préférence par injection.
En outre, le premier substrat 112 et le deuxième substrat 114 sont assemblés de manière à assurer un contact étanche tout en aménageant un espace d'écoulement au niveau des cavités et des différents canaux microfluidiques. L'assemblage peut être réalisé par collage, par plasma, par scellement thermique ou par un plaquage mécanique. A titre d'exemple, le premier circuit 11 est utilisé pour préparer un liquide et pour l'injecter sous pression. Le deuxième circuit 13 correspond à une zone d'écoulement capillaire comportant des canaux alimentant un réseau de cellules 14 réactionnelles. L'adaptateur microfluidique 1 réalise une interface entre les deux modes d'écoulement fluidiques tout en prévenant le transfert dans la zone capillaire de bulles d'air présentes dans le liquide entrant. De plus, l'adaptateur microfluidique 1 permet de remplir le circuit capillaire 13 avec le volume total du liquide injecté en minimisant le gaspillage. Il permet également de réaliser une injection séquentielle et multi fluidique dans le circuit capillaire 13. En outre, l'adaptateur microfluidique 1 peut être utilisé pour mélanger différents liquides avant le transfert du mélange sans bulles dans le circuit capillaire 13.

Claims (17)

  1. REVENDICATIONS
    1. Adaptateur microfluidique adapté pour coupler une première zone d'écoulement à une deuxième zone d'écoulement, caractérisé en ce qu'il comporte : - une chambre microfluidique (3) de volume prédéterminé, - une entrée microfluidique (5) débouchant dans une première partie (37) de ladite chambre (3), ladite entrée microfluidique (5) étant configurée pour admettre un liquide dans ladite chambre microfluidique (3) selon un premier mode d'écoulement, - un évent (9) disposé dans une seconde partie (39) de ladite chambre microfluidique (3), ledit évent étant configuré pour évacuer l'air s'échappant des bulles d'air contenues dans ledit liquide lors d'un éclatement des bulles interfaciales, et - une sortie microfluidique (7) disposée dans la première partie (37) de la chambre microfluidique (3), ladite sortie microfluidique étant configurée pour évacuer ledit liquide libéré de ses bulles d'air selon un deuxième mode d'écoulement.
  2. 2. Adaptateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'entrée microfluidique (5) est configurée pour être reliée à un premier circuit microfluidique (11) et en ce que la sortie microfluidique (7) est configurée pour être reliée à un deuxième circuit microfluidique (13).
  3. 3. Adaptateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit adaptateur est configuré pour être relié aux premier et deuxième circuits microfluidiques (11,13) selon une orientation prédéterminée disposant la première partie (37) de la chambre microfluidique (3) à un niveau inférieur à celui de la seconde partie (39), les notions d'inférieur et de supérieur étant liées au champ de la pesanteur.
  4. 4. Adaptateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'entrée microfluidique (5) débouche dans la chambre microfluidique (3) à un niveau supérieur ou égal à celui de la sortie microfluidique (7).
  5. 5. Adaptateur selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que l'entrée microfluidique (5) comporte un canal d'entrée (51) microfluidique adapté pour être relié au premier circuit microfluidique (11), la sortie microfluidique (7) comporte un canal de sortie (71) microfluidique adapté pour être relié au deuxième circuit microfluidique (13), et l'évent (9) comporte un canal d'évacuation (91) adapté pour faire évacuer l'air.
  6. 6. Adaptateur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le canal d'entrée (51) microfluidique est adapté pour un écoulement sous pression et en ce que le canal de sortie (71) microfluidique est adapté pour un écoulement capillaire spontané.
  7. 7. Adaptateur selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que le canal de sortie (71) microfluidique comporte des parois hydrophiles.
  8. 8. Adaptateur selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'angle de contact du liquide sur au moins une paroi du canal de sortie (71) microfluidique est inférieur à 60° et de préférence inférieur à 30°.
  9. 9. Adaptateur selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, caractérisé en ce que le premier circuit (11) microfluidique est un circuit d'écoulement sous pression et en ce que le deuxième circuit (13) microfluidique et un circuit d'écoulement capillaire.
  10. 10. Adaptateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les canaux d'entrée et de sortie microfluidiques (51, 71) sont adaptés pour un écoulement sous pression.
  11. 11. Adaptateur selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une vanne (53, 93) installée dans au moins l'un des canaux d'entrée, de sortie, et d'évacuation.
  12. 12. Adaptateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le volume prédéterminé de la chambre microfluidique est supérieur à un volume critique défini en fonction d'un volume total du liquide injecté dans la chambre microfluidique et/ou des débits d'entrée et de sortie du liquide.
  13. 13. Adaptateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la chambre microfluidique (3) présente des parois internes hydrophiles avec une section divergente du côté de l'entrée microfluidique et une section convergente du côté de la sortie microfluidique.
  14. 14. Adaptateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité d'évents, et/ou une pluralité de sorties microfluidiques, et/ou une pluralité d'entrées microfluidiques.
  15. 15. Dispositif microfluidique comportant un premier circuit microfluidique (11), un deuxième circuit microfluidique (13) et un adaptateur microfluidique (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier circuit microfluidique est couplé au deuxième circuit microfluidique par l'intermédiaire dudit adaptateur.
  16. 16. Dispositif microfluidique selon la revendication 15, caractérisé en ce que le premier circuit microfluidique, le deuxième circuit microfluidique, et l'adaptateur microfluidique sont formés en un seul tenant.
  17. 17. Dispositif microfluidique selon la revendication 15 ou 16, caractérisé en ce que le premier circuit microfluidique est un circuit d'écoulement sous pression et en ce que le deuxième circuit microfluidique est un circuit d'écoulement capillaire.
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