FR3077763A1 - Formulation de polymeres et methode de fabrication et d’assemblage pour la realisation de microsystemes cellularises et microfluidique - Google Patents
Formulation de polymeres et methode de fabrication et d’assemblage pour la realisation de microsystemes cellularises et microfluidique Download PDFInfo
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Abstract
La présente invention concerne un procédé de fabrication industrielle et la définition de formulation de polymères comprenant (a) un caoutchouc partiellement vulcanisé (b) des agents de réticulation (c) des retardateurs et des agents inhibiteurs de pré-vulcanisation et (d) une matrice polymère. Les articles micro et/ou nanostructurés fabriqués à partir de telles compositions, tels que des dispositifs microfluidiques, des dispositifs nanofluidiques, des organes sur puce et des organes artificiels impliquent de meilleurs contrôles dimensionnelles et des conditions d'assemblage optimisées et offrent également des capacités d'intégration cellulaire à basse température jusqu'à la température ambiante. Les forces d'adhésion des interfaces réalisées sont comparables aux forces de cohésion des compositions des polymères proposés.
Description
FORMULATION DE POLYMERES ET METHODE DE FABRICATION ET
D’ASSEMBLAGE POUR LA REALISATION DE MICROSYSTEMES
CELLULARISES ET MICROFLUIDIQUE [0001] Avec l'introduction des processus de fabrication spécifiques suivants, processus combinés à l’usage de compositions de polymères particulières, nous enseignons de nouvelles stratégies multiparamétriques permettant de résoudre de nombreuses difficultés rencontrés au sein de la communauté microfluidique.
[0002] Les catégories traditionnelles et les types de polymères utilisés pour la microfabrication et nanostructuration de microsystèmes plastiques et plus particulièrement pour les technologies microfluidiques souffrent de problèmes technologiques significatifs et de difficultés préjudiciables pour la réalisation et la fabrication de produits opérationnels.
[0003] Actuellement, les trois approches matériaux et leurs technologies de micro structuration associés présentent d’importants inconvénients et limitations pour la fabrication de systèmes microfluidiques. Ces interfaces matériaux sont successivement des matériaux thermoplastiques tels que le polycarbonate (PC) et le polystyrène (PS) parmi d'autres systèmes de polymères rigides, des matériaux à base de silicone tels que le PDMS (polydiméthylsiloxane) et enfin les laques et vernis UV sensibles.
[0004] Couramment, les premières stratégies de microfabrication usitées sont liées à futilisation de procédés de thermoformage tel le moulage par injection, la micro et nano-impression à chaud, mais les défis exigeants pour générer des moules maîtres en raison des paramètres de thermoformage (haute pression, températures élevées, importantes forces de frottement aux interfaces) rendent ces solutions très limitées en termes des caractéristiques et qualité des motifs et structures réalisées (caractéristiques de microstructures, combinaison et présence concomitantes de motifs micro et nanométriques, pièces fautées aux étapes du retrait/démoulage des pièces).
[0005] Ces approches sont également très restrictives quant aux technologies et moyens disponibles pour la mise en œuvre des cavités maîtres (empreinte support du moulage), en effet de tels conditions opératoires (hautes pressions et hautes température particulièrement) nécessitent l’usage de matériaux de hautes performances mécaniques et thermiques ainsi que la définition d’angles et de profiles particuliers des motifs permettant le retrait de pièces. La réalisation de telles structures de moules contrôlée et précise présentant des propriétés géométriques adéquates (contrôle dimensionnel des angles aux échelles micrométriques et sub- micrométriques) en utilisant une solution matériaux adéquats pour ce type d’environnement de thermo-moulage ne sont pas disponibles et opérables aujourd'hui.
[0006] L’utilisation de ces matériaux polymères thermoplastiques (PC, PS, etc...) exclut donc ainsi de nombreuses solutions technologiques et autres possibilités d’usage de certains matériaux et de leurs technologies associés pour la mise en œuvre de moules maître micro et/ou nanostructuré. De plus, ceux-ci disposant de très modestes propriétés de perméabilité aux gaz, les stratégies de moulage usités nécessites l’intégration d’une assistance de technologies de vide, ce qui complexifie d’autant la réalisation des diverses composantes des cavités de moulage à réaliser. Par ailleurs, en raison de leurs rigidités mécaniques ces pièces ont tendance à se briser aux étapes de retrait/démoulage affectant l'intégrité et la qualité des pièces fabriquées, mais aussi en laissant des résidus et autres contaminations en surface du moule. Ces difficultés sont d’autant accrues considérants des motifs de haute densité et/ou de hauts rapports d'aspect, car les forces de frottements (proportionnelles à la surface) sont alors d’autant plus conséquentes.
[0007] Plus en aval, en quête d’intégration de composants biologiques à l’intérieur des puces microfluidiques, ces matériaux thermoplastiques considérant leurs étapes et technologies d’assemblage et de conditionnement représentent des obstacles particulièrement préjudiciables. En effet, qu’il s’agisse des approches via des traitements de surface plasma/ozone ou encore corona; d’approches via l’exposition à des solutions de solvants ou encore d’approches via des traitements thermiques dans des environnements sous pression ; toutes ces solutions endommagent ou altèrent définitivement les espèces biologiques tels que protéines, biomarqueurs, cellules et enzymes. En outre, la qualité des cavités scellées est très souvent affectée et déformée par ces approches, ce qui affecte la fonctionnalité et l'efficacité de la biopuces in-fine.
[0008] Considérant particulièrement ces problématiques de moulage et l'assemblage pour la fabrication de biomicrosystèmes, les compositions innovantes revendiquées permettent de définir, pondérer et d’intégrer les propriétés suivantes au sien d’un même ou de plusieurs polymères distincts: propriétés mécaniques de flexibilité et de compressibilité pour le moulage et propriétés d’assemblage et scellements améliorés. Plus précisément, les éléments suivants sont considérés.
a. Le moulage de pièces de haute qualité, exemptes de défauts dû à la compressibilité et aux propriétés élastomériques du polymère pendant les étapes de thermoformage et de démoulage.
b. Elargissement de la sélection des matériaux pour la mise en œuvre et la fabrication de la cavité principale de moulage (Environnement globale de la cavité et empreinte initiale). Ces nouvelles opportunités élargissant ainsi les caractéristiques des micro et nanostructures pouvant intégrées à l’empreinte et donc in-fine réalisées sur les pièces polymères.
c. Assemblage et collage des motifs réalisés avec une couche collante. Cette couche collante comporte des motifs ou non, et sa composition en relation avec la première couche permet un assemblage cohésive ou non et permet également l’intégration d’éléments biologiques et une résistance à l’humidité corrélée.
[0009] Le premier aspect pour la fabrication de biomicrosystèmes polymères est lié à la génération des micro et nanostructures. L'utilisation des matériaux thermoplastiques souples et compressibles offre des avantages très particuliers et conséquents : En effet, le moulage de polymères dans une cavité fermé nécessite tout d’abord l’usage de pressions élevées pour i) transporter le polymère fondu à l'intérieur de la cavité où l’empreinte réside et ii) maintenir la cavité fermé pour assurer le remplissage confiné des structures fines de l’empreinte. Lors des étapes successives de refroidissement et de retrait de pièces thermo-moulées, ces niveaux de pressions élevés induisent des contraintes importantes et l’apparition de forces de cisaillement asymétriques aux interfaces polymère/moule. Un tel niveau élevé de contrainte interne favorise des lors la génération de défauts importants affectant en aval la résolution des motifs et les capacités d'assemblage. En effet, ces forces de cisaillement élevées induisent des détachements asymétriques et aléatoires de matière plastique lors du retrait, ceux-ci nuisant aux perspectives d'étanchéité et de collage, et donc in-fine à une parfaite et stable opérabilité. Ces caractéristiques et problématiques sont d’autant plus exaltées au regard de motifs d’autant plus finement résolus et denses.
[0010] L'introduction de thermoplastiques souples, compressibles et étirables que nous revendiquons est amorphe, et donc moins propice à la dilatation thermique comparativement aux matériaux cristallins et semi-cristallins. L'opportunité de contrôler et de sélectionner leurs propriétés de compressibilité réduit considérablement les termes de pressions résultants du chargement/remplissage du polymère dans la cavité. Une telle compressibilité opérant tel un coussin intermédiaire.
[0011] Les propriétés de compressibilités contribuent des lors à améliorer la qualité des moulages réduisant effectivement les contraintes mécaniques aux interfaces polymère/moule (en effet cousin). En raison de ces propriétés, nous revendiquons ainsi la possibilité d’exploitation de moules maîtres réalisés à partir des matériaux suivants : base époxy, base silicone PDMS (PolydimethylSiloxane) et d'autres interfaces tel le silicium et le verre. Ces solutions technologiques pour des moulages classiques étaient exclues car soient relativement à leurs fragilités (verre, Si) ou soient de par leurs faibles performances mécaniques (Epoxy et PDMS). Il est effectivement d’usage de réaliser les empreintes soient à partir de matériaux métalliques ou céramiques pour la micro et nanofabrication de pièces micro/nanostructurés en PC (polycarbonate), PMMA (Polymethylmethacrylate) et autres PS (Polystyrène), ce qui représente d’importantes contraintes économique et aussi de nombreuses limitations technologiques (tailles des motifs, densité, contrôles angulaires, etc...).
[0012] Ainsi donc, la réduction des contraintes internes et la diminution des zones hautement pressurisées aux interfaces polymères/moule permettent d'obtenir un procédé robuste et fiable. Les avantages d'utiliser une composition de polymère présentant des propriétés de compression au-dessus d’un seuil de compression set A de 0,5% sont particulièrement prépondérantes pour la fabrication de micro structure s et nanostructures, car les pressions engagées pour faire circuler un thermoplastique à l’état fondu dans de petites cavités micro et nanométriques sont d’autant conséquentes à ces échelles (termes de puissance 4).
[0013] En outre, les faibles contraintes interne des parties fabriquées représentent une amélioration de leurs propriétés mécaniques et sont bénéfiques pour leur stabilité et pour les étapes successives d'assemblage, où la fragilité des pièces est cruciale compte tenu de la manipulation, mais aussi relativement aux contraintes mécaniques et thermiques impliquées lors des étapes d'assemblage et de collage qui peuvent inclure également l’intégration de composants biochimiques telles que des cellules et des enzymes.
[0014] L'un des autres défis les plus importants à relever pour le moulage de PC, PMMA et d'autres pièces thermoplastiques micro et nanostructurées est la réalisation de la cavité maître présentant : une résolution submicronique; des rapports d'aspects élevés (i. e. rapport de la hauteur de pièces sur sa plus petite dimension planaire), et des zones de structures denses. Ces matériaux couramment utilisés sont cristallins et/ou semi-cristallins et présentent des coefficients de dilatation thermique (CDT) élevés comparativement aux matériaux polymères amorphes, ils sont en outre souvent rigides et cassants. Ils représentent donc des limites fondamentales pour des perspectives d’industrialisations, certains motifs ne peuvent ainsi être réalisés. L'apparence de défauts structuraux induit par conséquent, que ces systèmes ne peuvent pas être correctement scellés. Les caractéristiques de ces matériaux thermoplastiques induisent également des besoins et spécifications sévères relativement aux propriétés thermomécaniques du moule d’empreinte maître. Actuellement, ces impacts sur la fabrication de ces moules maîtres liés à la réalisation de telles pièces thermoplastiques sont que seulement des moules métalliques (Acier, alliages Nickel-cobalt, Aluminium) peuvent être usités pour des perspectives industrielles, et pour les perspectives de prototypage, seuls quelques époxy particulièrement thermo-mécaniquement performantes peuvent être utilisées. D’autres procédés tel le micromachinage ou l’électrodéposition galvanique permettent de réaliser de tels moules, toutefois, ceux coûteux et surtout limités en termes de résolution, de densité de motifs et également pour la définition de rapport d'aspects élevés (limite typique 2-3). De plus, ces procédés restreignent particulièrement la définition de structures de différentes hauteurs/profondeurs. Les contraintes internes générées limitent ainsi donc définitivement l'utilisation de matériaux fragiles tel le verre et le silicium, ainsi que l'utilisation de moules souples.
[0015] Dans le cadre de notre description de formulations; l'élargissement des possibilités d’usage de divers matériaux d’empreinte ouvre de nouvelles perspectives et capacités pour la fabrication de pièces thermoplastiques dédiés aux microsystèmes polymères et ceux-ci aux stades de prototypage et de manufacturing. Les seuils de compressibilité supérieures à 0,5% (catégorie de compression Set A) et les propriétés de rupture à l’élongation supérieure à 1.5% (Break set above 1.5%) que nous revendiquons permettent d’opérer l’usage d’une gamme élargie de matériaux à des gammes de pression de thermoformage réduite pouvant aller avantageusement de 0,3 bar à 20 bar et, préférentiellement de 1 bar à 15 bar, et préférentiellement de 1.5 bar et 3 bar.
[0016] Par exemple, des empreintes de verre offrant d’excellentes propriétés surfaces et aussi des formes microstructurées très spécifiques réalisées selon des procédés de gravure par voie humide particulières peuvent donc être utilisés et générer à la surface des formulations proposées. On peut également citer, l'utilisation de matériaux fragiles tel les résines photosensibles de type SU-8 et le silicium, ceux-ci intégrant des micro et nano motifs réalisés par lithographie électronique et/ou optique couplés à des procédures de gravure ionique ou par voie humide.
[0017] Comparativement et considérant les procédures d'assemblages actuelles pour la fabrication de dispositifs monolithiques de polymères en PC, PS et autres PMMA, nécessitant la mise en contact des pièces à assembler par des étapes et/ou combinaison d’étapes faisant appel à des approches de contraintes mécaniques ou de technologie du vide, couplés à des stratégies de chauffages thermiques (laser, four, ultrasons,...), via notre approche, l'assemblage et le collage sont effectués sans aucune moyen particulier de mise en contact, et un contact étroit et intime est atteint pour les formulations revendiquées.
[0018] Pour que ce contact interfacial se produise au niveau moléculaire pour subséquemment des performances d’assemblage accrues, nous revendiquons des formulations de polymères présentant un module mécanique (Module de Young) de 0,01 à 100 MPa et possédant des propriétés de perméabilité gazeuse supérieure à 1
Barrer (1 barrer - 3.34xl0“16 mol Pa-1 s-1 m_1), et préférentiellement au-dessus de 10 Barrer, ceci afin d'évacuer rapidement et efficacement les présences de poches d'air piégées à l'interface lors de la mise en contact.
[0019] L'un des principaux problèmes rencontrés pour la fabrication de polymères thermoformés de haute qualité pour des micro et nanosystèmes polymères est la nécessité d'éliminer l'air à l'interface moule/polymère au court du processus thermique (au cas contraire, ces poches d'air locales marquent la surface du polymère et affectent finalement leurs planéités fines, affectant des lors les perspectives d’assemblages subséquents, mais aussi la résolution des motifs). Ainsi donc, des étapes de maintenant sous vide sont mises en œuvre et ces étapes induisent conséquemment des cycles de production plus lents, et des complexités, limitations et coûts supplémentaires.
[0020] En outre, considérant les stratégies de collage UV couramment utilisées pour l’assemblage de pièces thermoplastiques micro et nanostructurées, le fait que l'air piégé peut être évacué offre des avantages par rapport à des matériaux de moindre perméabilité gazeuse, car la présence d'oxygène à l'interface inhibe très généralement leurs réticulations. De plus, considérant l’emploi de colle UV liquide, le fait que nulle pression supplémentaire n’est requise lors de l’étape de mise en contact, permet des lors de ne point générer d’écoulements de cette dernière. Ecoulements qui le plus souvent provoquent le colmatage partiel ou total des microstructures les plus fines. Ces propriétés s'étendent à tous autres scellements à base de liquide.
[0021] Compte tenu de l’optique de certains usages pour lesquels, un assemblage/scellement non permanent est d’intérêt, (ce qui n’est possible via les polymères thermoplastiques actuellement utilisés), notre innovation permet un tel assemblage/scellement réversible et modulable (jusqu’à un niveau cohésif). Pour une première série de compositions revendiquées, ces forces de collage sont fonctions des pourcentages massiques relatifs des agents de réticulation, des agents retardateurs et inhibiteurs de vulcanisation de chacune des parties assemblées et leurs degrés de réticulation. Pour une seconde série de compositions revendiquées les pourcentages massiques des copolymères diblocs et triblocs sont les éléments déterminants pour ces mêmes performances d’assemblage/scellement.
[0022] Les mélanges de polymères sont généralement préparés par mélange à l'état fondu et ou en solutions. Concernant, les polymères partiellement (TPV) ils sont majoritairement produits par des technologies classiques d’extrusion (mixing extruders and co-rotating intermeshing twin screw extruders with a high L/D). La filière d’extrusion est alimentée séquentiellement des diverses éléments singuliers afin d’atteinte la composition ciblée. Les quatre classes d’éléments suivants sont considérés et à minima les composés A et B sont concernés.
(A) Une matrice polymère, constitué non exhaustivement de polyamide (PA), de polycarbonate (PC), de polystyrène (PS), d'acrylonitrile butadiene styrène (ABS), de styrène acrylonitrile (SAN), de polyméthylméthacrylate (PMMA), de polybutylène téréphtalate (PBT), de polypropylène ( PP), de polyéthylène (PE), de copolymères à blocs styréniques saturés, de Polyéther bloc-amide (PEBA) et autres élastomères thermoplastiques de polyuréthanes et fluoroélastomère. Ces systèmes polymères demeurent couramment usités et connus pour l'homme du métier.
(B) Un élastomère partiellement réticulé: incluant non exhaustivement, les caoutchoucs butyle (IIR), les EPDM (monomère éthylène-propylène-diène), les caoutchoucs butadiène (BR), les caoutchoucs styrène-butadiène (SBR), les caoutchoucs naturels (NR), les éthylène-acétate de vinyl (EVA), les polychloroprènes (CR) et autres caoutchouc nitrile (NBR), ces caoutchoucs demeurent couramment usités et connus pour l'homme du métier.
(C) Les agents de réticulation, incluant non exhaustivement : soit i) des agents peroxydes tels : des peroxydes d'alkyle, des peroxy-ketales, des peroxy-esters, et autres peroxides diaralkyl, soit ii) des agents soufrés et agents à base de résines phénoliques et résoliques, soit iii) d’autres agents tels les composés suivants : aldéhyde amine, guanidine, thiazole, thiophosphate, sulfénamides, thiourée, thiurame, dithiocarbamate et xanthates. Ces agents demeurent couramment usités et connus pour l'homme du métier.
(D) Des agents retardateurs et inhibiteurs de vulcanisation, incluant non exhaustivement, certains acides salicyliques, certains anhydrides phtaliques, certains acides d’acétyl-salicyliques, et des composés tels : le NDPA (N-nitroso diphénylamine), le N-cyclohexylthiopthalimide (CTP) et le N, N-dinitrosopara-phényl diphénylamine. Ces agents demeurent couramment usités et connus pour l'homme du métier.
[0023] Le thermoformage des compositions de polymères revendiquées pour la microfabrication de systèmes polymères monolithiques est réalisé via les technologies suivantes : moulage par injection, impression à chaud (Hot-embossing lithography), thermoformage Infra-rouge, de manière non exclusive.
[0024] Pour réaliser les propriétés d’assemblage et de scellement énoncés, les procédés de moulage sont dès lors réalisés de telle manière que le composé B (élastomère partiellement réticulé) soit réticulé par l’action conjuguée des composés C et D en-deçà d’un seuil de 90%. De manière surprenante les inventeurs ont en effet constaté que cet état incomplet de réticulation permet des lors de sceller ainsi les différentes parties microstructurées selon les termes énoncés. Les contributions des composés C et D, n’œuvrant des lors qu’à abaisser ce seuil de 90% pour offrir une plus large gamme d’opérabilité et aussi plus particulièrement pour sélectionner et optimiser via les composés A et B les propriétés d’élasticité, les propriétés caoutchoutique et les propriétés de perméabilité gazeuse souhaitées et discutées préalablement.
[0025] Pour l'assemblage et le scellement, un feuillet de polymère microstructuré ou non est utilisé et mis en contact avec la partie moulée, ce feuillet contenant des agents de réticulation œuvre à la réticulation interfacial de la partie moulé et assure le scellement. Au regard du temps de contact retenu et des proportions relatives de composés C et D ainsi que du seuil de réticulation du composé B, il est dès lors possible d’obtenir une adhésion permanente ou non selon les applications envisagées.
[0026] Pour le scellement, en raison des propriétés de perméabilités gazeuse et des propriétés mécaniques discutées et mentionnées plus haut, un contact étroit au niveau moléculaire est atteint sans maintenant mécanique externe ni présences de poches d’air : des lors, les composés réagissent au niveau de l’interface de contact. Les composés partiellement vulcanisés réagissant ainsi avec les agents de réticulation et les retardateurs de vulcanisation permettent la réalisation un scellement permanent ou non via de faibles niveaux d'activations thermiques, par exemple à 85°C, ou bien à 50°C, ou bien à 37°C, ou bien à température ambiante, ou bien en-deçà de la température ambiante, pour des temps de contact successivement prolongés à force cohésive constante.
[0027] De manière complémentaire et alternative, étonnamment les inventeurs ont constaté que des compositions de polymères comprenant des taux massiques de 15% à 100% de copolymères diblocs et triblocs styréniques, polyuréthanes ou amides pour le composé B permettent de sceller ainsi les différentes parties microstructurées selon les termes énoncés ici-haut. Nous attribuons ces performances étonnantes à la grande mobilité des chaînes des polymères souples de ces blocs qui réorganisent, restructurent et optimisent les conditions énergétiques à l’interface. Ainsi, ces composés exclusivement permettent de réaliser, des scellements permanent ou non via de faibles niveaux d'activations thermiques, par exemple à 85°C, ou bien à 50°C, ou bien à 37°C, ou bien à température ambiante, ou bien en-deçà de la température ambiante, pour des temps de contact successivement prolongés à force cohésive constante.
[0028] FIG. 1 illustre deux exemples de systèmes, système 100 et système 150, pour le système 100: une première partie microstructurée 101, est scellé 102 (scellement) à une seconde partie non microstructurée 103 (feuillet de scellement), pour le système 150: une première partie microstructurée 101, est scellée 102 (scellement) à une seconde partie microstructurée 104. La composition de la première partie est donnée dans la revendication 2, alors que la composition de la deuxième partie est donnée dans la revendication 3.
[0029] La FIG. 2, étend les systèmes présentés en Fig. 1 en une version multicouches de l'invention: le système 200 est la continuation aux formats multicouches du système 100, et des contacts scellés supplémentaires (105a et 105b) sont impliqués. Le système 250, est la continuation aux formats multicouches du système 150, et des contacts scellés supplémentaires (105a et 105b) sont impliqués.
[0030] La FIG. 3A, étend les systèmes présentés en Fig. 1 et Fig. 2. Une fine membrane poreuse ou semi-poreuse (inférieure à 150pm d’épaisseur) est intercalée entre chaque couche : de telles membranes sont soient des membranes polymères (type ultrafiltration en PC ou PS, ou de compositions présentement introduites et revendiquées) ou soient des membranes inorganiques (membrane Si flexible). Le système 300 illustre une première partie microstructurée 101, une membrane mince 301 et un feuillet de scellement 103. L'intégration d'une membrane mince offre l'opportunité de générer un mécanisme d'échange actif entre feuillets microstructurés adjacents. Actuellement, leur intégration est délicate en raison des très faibles performances des caractéristiques de scellement des compositions de polymères actuelles, et de même que de leurs propriétés mécaniques et de compressibilité qui induisent futilisation de technologies supplémentaires impliquant des traitements à base de solvant, des traitements thermiques et des contraintes mécaniques qui en aval, affectent l'intégrité et donc les fonctionnalités des membranes intégrés. Par exemple, des membranes semi-poreuse de polyméthylpentène (PMP) à des fins d'oxygénation et d'autres membranes de filtration à base de polystyrène peuvent être intégrées en raison de 1) les propriétés mécaniques de première partie micro structurée 101 qui favorise un contact intime (302) avec la membrane 301, 2) la bicouche (première partie micro structurée 101/Membrane 301) demeure suffisamment flexible afin de créer un second contact intime (303) avec le feuillet de scellement 103.
[0031] La FIG. 3B, étend le système 300 dans une architecture multicouche : le système 350. Ce système présente des contacts scellés supplémentaires (105a et 105b).
[0032] Les capacités de sceller des bicouches à 37 0 C et en deçà, sans recours de forces mécaniques, d’assistance à des technologies de vide et tous autres moyens radiatifs, positionnent notre invention pour l'intégration cellulaire en environnement micrométrique polymère isolé et confiné. Pour se faire, notre stratégie innovante implique successivement les étapes suivantes : i) ensemencement cellulaire indifférencié sur la surface portant les motifs microstructurés (surface préalablement stérilisée, et recouverte ou non de promoteurs d'adhésion cellulaire (CAP), ii) distribution d’un milieu nutritif et maintien dans un incubateur humidifié à 37°C sous 4-10% de CO2. Sur une base régulière pendant une semaine jusqu'à plusieurs semaines, les milieux nutritifs sont substitués par des milieux frais, iii) apres un ou plusieurs cycle de divisions et de croissance cellulaire, que les cellules soient à confluence ou pas, le retrait des cellules positionnées sur la surface supérieure microstructurée est effectué à l'aide d'une bande souple adhésive (voir figure 4). Tout d’abord, la figure 4A, 401 référence la présence d’un revêtement biologique (type : promoteurs d'adhésion cellulaire CAP), la partie microstructurée 101, et les cellules 402. FIG 4B, illustre le retrait des cellules positionnées 402 sur la surface supérieure microstructurée 101 par l’intermédiaire d'une bande souple adhésive 404, bande revêtue ou non de promoteurs d'adhésion cellulaire. Cette action est appliquée à plusieurs reprises si nécessaire et permet d'obtention d’une surface externe exempte de cellules, les zones moulées n’étaient mise en contact avec la bande adhésive, elles par contre en sont donc pourvus (partiellement ou totalement si la confluence est atteinte). Pour ce dernier traitement, de nombreux adhésifs flexibles et/ou semi-flexibles tels que les produits suivants peuvent être utilisés (adhésive acrylique ou siliconé) : ARcare90445 et ARcare90106 (Adhesive research Inc;), et AD 9102 siliconé (3M, Inc.).
[0033] Par conséquent, cette surface nettoyée de l’ensemble de ces cellules les plus externes est mise en contact avec un feuillet de scellement et le scellement peut dès lors être réalisé. En se référant à la composition de polymères et aux mécanismes de scellement des blocs souples aux interfaces, discuté au paragraphe 0027, un scellement permanent inférieur à 37°C est réalisé après des temps de mise en contact de 5 min à 48 heures, et plus préférentiellement de 4 heures. La FIG 4C illustre un exemple de système 400, les cellules 402 sont situées dans les zones des motifs moulées de deux parties microstructurées (101 et 101a), et un contact scellé 102 est réalisé. Les FIGS. 4D et 4E étendent cette approche respectivement, pour un feuillet unique de scellement non microstructuré (système 410), et pour un feuillet unique de scellement microstructuré dépourvu de cellules (système 420).
[0034] Les figures 5A, 5B et 5C étendent respectivement dans des approches multicouches les systèmes présentés en figures 4C, 4D et 4E. En raison du fait que les compositions de polymères revendiquées favorisent des contacts intimes entre eux (via les modules mécaniques et leurs propriétés de perméabilités gazeuses), ces éléments bicouches successifs peuvent être empilés les uns sur les autres aisément. De plus, en raison des performances de scellement des compositions revendiquées : soit par la réactivité conjuguée des agents vulcanisation et de réticulation par rapport aux seuils de vulcanisation des composés B, soit via les capacités des composants des blocs copolymères des scellements complémentaires sont impliqués aux interfaces de contacts des bicouches successives (105).
[0035] La figure 6 illustre respectivement l’extension les systèmes 400, 500,420 et 520 dans les systèmes 600, 620, 650 et 670 avec l'intégration de membranes intercalées supplémentaires, tel discuté au paragraphe 0030.
Claims (26)
- REVENDICATIONS1. Un dispositif polymère microfluidique, comprenant,a) une première partie en polymère contenant un ou plusieurs motifs microstructurés, le dit polymère ayant un seuil de compressibilité (catégorie compression set A) supérieur à 0,5%, un coefficient de perméabilité à l’air supérieur à 1 barrrer et un module mécanique de Young inférieur à 50 MPa et dispose au moins d’un motif de dimension inférieur à 500pm,b) une seconde partie ; un feuillet de scellement en polymère, recouvrant au moins une portion de la première partie, ce second feuillet de scellement est muni ou dépourvu de motifs microstructurés, et le dit polymère présente un seuil de compressibilité (catégorie compression set A) supérieur à 0,02%, un coefficient de perméabilité à l’air supérieur à 1 barrer et un module mécanique de Young inférieur à 1000 MPa et ce feuillet s’il est microstructuré dispose au moins d’un motif de dimension inférieur à 500pm,c) un scellement à l’interface de la première partie et de la seconde partie, ce scellement sans adhésif, est généré sans source de pression externe, sans technologie de vide, ni autres moyens radiatifs, ce scellement génère un lien étanche et est soit réversible ou irréversible via un traitement thermique exclusivement, ce traitement thermique est appliqué à température ambiante ou bien à des températures supérieures ou inferieures.
- 2. La composition de la première partie de la revendication 1, se rapporte à une composition de polymère comprenant 4 éléments distincts A, B, C et D, et au moins les composants A et B sont inclus, (A) une matrice polymère, constituée soit de polyamide (PA), soit de polycarbonate (PC), soit de polystyrène (PS), soit d'acrylonitrile butadiene styrène (ABS), soit de styrène acrylonitrile (SAN), soit de polyméthylméthacrylate (PMMA), soit de polybutylène téréphtalate (PBT), soit de polypropylène ( PP), soit de polyéthylène (PE), soit de copolymères à blocs styréniques saturés et insaturés, soit de polyéther bloc-amide (PEBA) et soit d’élastomères thermoplastiques de polyuréthanes et fluoroélastomères, (B) un élastomère partiellement réticulé: incluant un ou plusieurs des éléments suivants, caoutchoucs butyle (IIR), EPDM (monomère éthylène-propylènediène), caoutchoucs butadiène (BR), caoutchoucs styrène-butadiène (SBR), caoutchoucs naturels (NR), éthylène-acétate de vinyl (EVA), polychloroprènes (CR) et autres caoutchouc nitrile (NBR), (C) des agents de réticulation, incluant un ou plusieurs des éléments suivants, i) des agents peroxydes tels, des peroxydes d'alkyle, des peroxy-ketales, des peroxy-esters, et autres peroxides diaralkyl, ii) des agents soufrés et agents à base de résines phénoliques ou résoliques, iii) d’autres agents tels les composés suivants, aldéhyde amine, guanidine, thiazole, thiophosphate, sulfénamides, thiourée, thiurame, dithiocarbamate et xanthates, (D) des agents retardateurs et inhibiteurs de vulcanisation, incluant un ou plusieurs des éléments suivants, i) certains acides salicyliques, ii) certains anhydrides phtaliques, iii) certains acides d’acétyl-salicyliques, et iv) autres composés tels, le NDPA (N-nitroso diphénylamine), le Ncyclohexylthiopthalimide (CTP) et le N, N-dinitroso-para-phényl diphénylamine.
- 3. La composition de la seconde partie de la revendication 1, se rapporte à une composition de polymère comprenant 4 éléments distincts A, B, C et D, et au moins les composants A et B sont inclus, (A) une matrice polymère, constituée soit de polyamide (PA), soit de polycarbonate (PC), soit de polystyrène (PS), soit d'acrylonitrile butadiene styrène (ABS), soit de styrène acrylonitrile (SAN), soit de polyméthylméthacrylate (PMMA), soit de polybutylène téréphtalate (PBT), soit de polypropylène ( PP), soit de polyéthylène (PE), soit de copolymères à blocs styréniques saturés et insaturés, soit de polyéther bloc-amide (PEBA) et soit d’élastomères thermoplastiques de polyuréthanes et fluoroélastomères, (B) un élastomère partiellement réticulé: incluant un ou plusieurs des éléments suivants, caoutchoucs butyle (IIR), EPDM (monomère éthylène-propylènediène), caoutchoucs butadiène (BR), caoutchoucs styrène-butadiène (SBR), caoutchoucs naturels (NR), éthylène-acétate de vinyl (EVA), polychloroprènes (CR) et autres caoutchouc nitrile (NBR), (C) des agents de réticulation, incluant un ou plusieurs des éléments suivants, i) des agents peroxydes tels, des peroxydes d'alkyle, des peroxy-ketales, des peroxy-esters, et autres peroxides diaralkyl, ii) des agents soufrés et agents à base de résines phénoliques et résoliques, iii) d’autres agents tels les composés suivants, aldéhyde amine, guanidine, thiazole, thiophosphate, sulfénamides, thiourée, thiurame, dithiocarbamate et xanthates, (D) des agents retardateurs et inhibiteurs de vulcanisation, incluant un ou plusieurs des éléments suivants, i) certains acides salicyliques, ii) certains anhydrides phtaliques, iii) certains acides d’acétyl-salicyliques, et iv) autres composés tels, le NDPA (N-nitroso diphénylamine), le Ncyclohexylthiopthalimide (CTP) et le N, N-dinitroso-para-phényl diphénylamine.
- 4. Procédé selon la revendication 1, dans laquelle, la première partie est soit de composition identique ou différente à la seconde partie, soit composée d’un thermoplastique, d’un élastomère thermoplastique, d’une céramique, de silicium ou de verre.
- 5. Utilisation selon la revendication 1, dans laquelle, la seconde partie est soit de composition identique ou différente à la première seconde partie, soit composée d’un thermoplastique, d’un élastomère thermoplastique, d’une céramique, de silicium ou de verre.
- 6. Les méthodes et procédés de fabrication des dispositifs s’articulent comme suit,a) les compositions de polymères des revendications 1,2 et 3 sont principalement réalisés par les technologies classiques d’extrusion et co-extrusion, préférentiellement les configurations à doubles vis corotatives et hauts rapports L/D sont retenues,b) positionnement de la composition de polymère à la surface d’une empreinte de moule microstructuré pour le moulage thermique, cette empreinte maître dispose au moins d’un motif de dimension inférieur à 500 pm. les technologies suivantes de moulage classiques sont préférentiellement usitées, moulage pour injection, moulage pour injection-compression, moulage par irradiation infrarouge, embossage à chaud, spin-coating, hot-embossing, la composition polymère se présente sous forme d’un liquide, d’une mousse, d’un solide, et préférentiellement sous forme de billes solides millimétriques et plus avantageusement sous forme de feuillets extradés,c) le scellement s'effectue sans adhésif, selon la revendication le, la première partie et la seconde partie sont mises en contact et forme un contact intime sans contraintes mécaniques externes, ni assistance de technologie de vide, le scellement est réversible jusqu'à un état irréversible lorsqu'une plus grande teneur en matière partiellement vulcanisée est fixée, lorsqu'une plus grande température est appliqué, lorsqu'un plus grand contenu de composants diblocs et/ou triblocs de copolymères styréniques, ou de copolymères polyuréthanes ou blockamides sont retenus.
- 7. Un niveau de scellement irréversible selon la revendication 6c, pour lequel les compositions préférentielles de la première partie et de la seconde partie selon la revendication 1 sont constituées de contributions massiques des diblocs et/ou triblocs de copolymères styréniques, ou des copolymères polyuréthane ou blockamide supérieures à 35%.
- 8. Un niveau de scellement irréversible selon la revendication 6c, pour lequel une composition massique préférentielle de la première partie selon la revendication la est constituée d’au moins 0.5% d’agents retardateurs et inhibiteurs de vulcanisation, d’au plus 1.5% de composés réticulant, d’au moins 5% de composés partiellement vulcanisés, et une seconde partie selon la revendication lb préférentiellement constituée par la composition massique suivante : au plus 5% d’agents retardateurs et inhibiteurs de vulcanisation, au moins 0.02% de composées réticulant et au moins 5% de composés partiellement vulcanisés.
- 9. Procédé selon la revendication 7, pour lequel la seconde partie selon la revendication lb présente ou non un élément micro structuré de dimension inférieur à 500 pm, et est constituée d'une composition identique ou différente à la première partie selon la revendication la, ou bien constitué d’un thermoplastique, d’un élastomère thermoplastique, d’une céramique, de silicium ou de verre.
- 10. Procédé selon la revendication 8, pour lequel la seconde partie selon la revendication lb présente ou non un élément microstructuré de dimension inférieur à 500 pm, et est constituée d'une composition identique ou différente à la première partie selon la revendication la, ou bien constitué d’un thermoplastique, un élastomère thermoplastique.
- 11. Procédé selon la revendication 7, pour lequel une série de bicouches, bicouche individuelle constituée d’un première partie et d’une seconde partie selon la revendication 1, sont assemblées et scellées selon la méthode de la revendication le.
- 12. Procédé selon la revendication 8, pour lequel une série de bicouches, bicouche individuelle constituée d’un première partie et d’une seconde partie selon la revendication 1, sont assemblées et scellées selon la méthode de la revendication le.
- 13. Procédé selon la revendication 9, pour lequel une série de bicouches, bicouche individuelle constituée d’un première partie et d’une seconde partie selon la revendication 1, sont assemblées et scellées selon la méthode de la revendication le.
- 14. Procédé selon la revendication 10, pour lequel une série de bicouches, bicouche individuelle constituée d’un première partie et d’une seconde partie selon la revendication 1, sont assemblées et scellées selon la méthode de la revendication le.
- 15. Une fine membrane poreuse ou semi-poreuse est intercalée et scellée entre les surfaces microstructuré de la première partie de la revendication la et la seconde partie de la revendication lb, ou soit selon la revendication 5 et forme ainsi un scellement selon la revendication le.
- 16. Procédé selon la revendication 15, pour lequel une série de tri-couches, tri-couche individuelle constituée d’un première partie et d’une seconde partie selon la revendication 1 et d’une membrane selon la revendication 15, sont assemblées et scellées selon la méthode de la revendication le.
- 17. Procédé de la revendication 7, pour laquelle un scellement irréversible est réalisé à température ambiante après un temps de mise en contact avantageusement de 60 à 240 minutes et préférentiellement de 120 minutes à 180 minutes.
- 18. Procédé de la revendication 7, pour laquelle un scellement irréversible est réalisé à après des temps de contact compris entre 1 minute et 5 minutes, puis entre 2 minutes et 10 minutes, puis entre 10 minutes et 120 minutes, respectivement pour des températures comprises entre 45°C et 80°C, puis de 35°C à 60°C et de 30°C à 37°C.
- 19. Procédé de la revendication 8, pour laquelle un scellement irréversible est réalisé à température ambiante après un temps de mise en contact avantageusement de 120 à 240 minutes et préférentiellement de 150 minutes à 210 minutes.
- 20. Procédé de la revendication 8, pour laquelle un scellement irréversible est réalisé à après des temps de contact compris entre 2 minute et 20 minutes, puis entre 20 minutes et 180 minutes, respectivement pour des températures comprises entre 120°C et 45°C, et comprises entre 60°C et 30°C.
- 21. Procédé de fabrication intégrant des composantes cellulaires et autres éléments biologiques dans des dispositifs microfluidiques scellés (première partie), ce procédé comprenant successivement les étapes suivantes,a) stérilisation ou non de la première partie de la revendication la, cette stérilisation est réalisée soit à l'oxyde d'éthylène, soit au peroxyde d'hydrogène; méthodes classiques entre autres options envisageables,b) successivement cette surface selon la revendication 21a est revêtue totalement, partiellement ou nullement de promoteurs d’adhésion cellulaires tels les composés suivants, collagène, Matrigel, laminine, entactine, entre autres options envisageables,c) via une unique ou plusieurs étapes, un type ou plusieurs types cellulaires sont ensemencés en surface selon la revendication 21b, ces cellules sont positionnées ou non de manière contrôlée et préférentielle via l’usage des outils technologiques suivants, micropipettes, réseau de micro-points, techniques d'impression par micro-contact, impression 3D entre autres options envisageables,d) les cellules sont cultivées à l'intérieur d'un incubateur classique de culture cellulaire, le milieu de culture est changé des lors réguliers et peut être complété d’antibiotiques,e) une bande flexible ou semi-flexible adhésive est positionnée sur la surface cellularisée selon les revendications 21a, 21b, 21c et 21d, les propriétés viscoélastiques de cette bande permettent des lors la production d’un contact intime et adhérant avec les cellules positionnées sur les éléments de surface les plus externes, ce contact adhésif/cellules est alors maintenu avantageusement de 20 à 180 secondes et, préférentiellement de 60 à 90 secondes, cette opération est reproduite avantageusement de 5 à 30 fois et, préférentiellement de 5 à 10 fois, ces procédures permettant des lors d’éliminer les cellules présentes en surface des zones dénuées de motifs moulés, de nombreux adhésifs flexibles et/ou semi-flexibles tels que les produits suivants peuvent être utilisés (adhésive acrylique ou siliconé) : ARcare90445 et ARcare90106 (Adhesiveresearchlnc;), et AD 9102 siliconé (3M, Inc.).
- 22. Procédé de fabrication intégrant des composants cellulaires et autres éléments biologiques dans des dispositifs microfluidiques scellés (deuxième partie),a) une surface microstructurée et cellularisée selon la revendication 21e est mise en contact et forme un scellement selon la revendication lc, ou bien selon la revendication 6c, ou bien selon la revendication 7, ou bien selon la revendication 8, ou bien selon la revendication 9, ou bien selon la revendication 10,b) une fine membrane poreuse ou semi-poreuse est intercalée et scellée entre une surface microstructurée et cellularisée selon la revendication 21e et la seconde partie de la revendication lb, ou soit selon la revendication 5 et forme ainsi un scellement selon la revendication lc.c) deux surfaces microstructurés et cellularisés selon la revendication 21e sont mise en contact et forme un scellement selon la revendication lc, ou bien selon la revendication 6c, ou bien selon la revendication 7, ou bien selon la revendication 8, ou bien selon la revendication 9, ou bien selon la revendication 10,d) deux surfaces microstructurées et cellularisées selon la revendication 21e sont mise en contact à une fine membrane poreuse ou semi-poreuse et forme un scellement selon la revendication le, ou bien selon la revendication 6c, ou bien selon la revendication 7, ou bien selon la revendication 8, ou bien selon la revendication 9, ou bien selon la revendication 10.
- 23. Procédé selon la revendication 22, pour lequel les deux types de bicouches distincts correspondant aux revendications 22a et 22c et les deux types de tri-couches distincts correspondant aux revendications 22b et 22d, sont assemblés indistinctement et forme des lors des scellements selon la revendication le, ou bien selon la revendication 6c, ou bien selon la revendication 7, ou bien selon la revendication 8, ou bien selon la revendication 9, ou bien selon la revendication 10.
- 24. Procédé selon la revendication 23, pour lequel les cellules proviennent de sources humaines, animales et végétales.
- 25. Procédé selon la revendication 24, pour lequel les cellules sont des hépatocytes, des cholangiocytes, des cellules épithéliales, des cellules endothéliales, des cellules intestinales, des cellules hépatiques, des neurones, des cellules musculaires, des cellules du derme, des cellules de cornée, des cellules cancéreuses, des cellules pluripotentes induites, des cellules souches, des cellules du champ de la biologie synthétique.
- 26. Procédé selon la revendication 24, pour lequel les réactifs biologiques en lieu et place des cellules mentionnées sont des tissus organiques de sources humaines, animales ou végétales, mais aussi des protéines, des matériaux génomiques, des microbilles et autres nanoparticules biologiquement fonctionnalisées.
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR1870144A Withdrawn FR3077763A1 (fr) | 2018-02-09 | 2018-02-09 | Formulation de polymeres et methode de fabrication et d’assemblage pour la realisation de microsystemes cellularises et microfluidique |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| FR (1) | FR3077763A1 (fr) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115243895A (zh) * | 2020-03-04 | 2022-10-25 | 汉席克卡德应用研究协会 | 制造由聚合物基底和密封的微流体盒构成的复合结构 |
| CN116120563A (zh) * | 2023-01-03 | 2023-05-16 | 万华化学集团股份有限公司 | 一种基于动态双硫键的热适应性聚醚酰胺弹性体材料及其制备方法 |
| US11820061B2 (en) | 2020-09-10 | 2023-11-21 | Regents Of The University Of Minnesota | Additively manufactured self-supporting microfluidics |
-
2018
- 2018-02-09 FR FR1870144A patent/FR3077763A1/fr not_active Withdrawn
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115243895A (zh) * | 2020-03-04 | 2022-10-25 | 汉席克卡德应用研究协会 | 制造由聚合物基底和密封的微流体盒构成的复合结构 |
| US11820061B2 (en) | 2020-09-10 | 2023-11-21 | Regents Of The University Of Minnesota | Additively manufactured self-supporting microfluidics |
| CN116120563A (zh) * | 2023-01-03 | 2023-05-16 | 万华化学集团股份有限公司 | 一种基于动态双硫键的热适应性聚醚酰胺弹性体材料及其制备方法 |
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| ST | Notification of lapse |
Effective date: 20191006 |