FR3132518A1 - Dispositif microfluidique comprenant des organes de rétention d’objets au sein de pièges capillaires - Google Patents

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Abstract

L’invention se rapporte à un dispositif microfluidique (1) comprenant des pièges capillaires (5) dotés chacun d’une microcavité (6) formée sur une paroi d’un microcanal (2) d’écoulement d’un fluide et d’un organe de rétention (7) s’étendant dans le microcanal (2) en regard de la microcavité (6) de ce piège capillaire (5) de manière à permettre une rétention d’objets préalablement piégés dans cette microcavité (6) en cas de déplacement de ces objet depuis cette microcavité (6) vers cet organe de rétention (7), par exemple sous l’action d’un changement du sens d’écoulement du fluide dans le microcanal (2). Figure pour l’abrégé : Fig. 3

Description

Dispositif microfluidique comprenant des organes de rétention d’objets au sein de pièges capillaires
L’invention se rapporte au domaine de la microfluidique et des systèmes de « laboratoire sur puce » (« lab-on-chip » en anglais).
L’invention présente un intérêt particulier, nullement limitatif, pour l’étude de macromolécules biologiques par cristallographie.
 État de la technique antérieure
La microfluidique peut être définie comme l’étude des écoulements et de leur mise en œuvre dans des réseaux de microcanaux dont les dimensions sont de l’ordre du micromètre. A cette échelle, les forces de capillarité prédominent sur les forces de gravité.
Classiquement, un dispositif microfluidique comprend des pièges capillaires prévus pour piéger des objets tels que des cristaux ou des cellules biologiques en vue de leur analyse. Ces pièges consistent typiquement en des cavités formées le long de microcanaux au sein desquels un liquide est déplacé, les objets étant en suspension dans ce liquide.
Un exemple de dispositif microfluidique et de procédé d’analyse de cristaux est décrit dans l’article de Lyubimov et coll. intitulé « Capture and X-ray diffraction studies of protein microcrystals in a microfluidic trap array » et publié dans Acta Crystallographica D71, pages 928-940, en 2015.
L’introduction du liquide dans les microcanaux est typiquement réalisée à l’aide d’un tube d’injection qui est déconnecté après remplissage du dispositif, entraînant un phénomène d’aspiration du liquide qui tend à faire sortir les objets des pièges capillaires.
Il existe par conséquent un besoin d’améliorer la capture des objets en vue de leur analyse.
A cet effet, l’invention a pour objet un dispositif microfluidique comprenant :
– un support comprenant un microcanal configuré pour permettre un écoulement d’un fluide depuis une entrée du microcanal jusqu’à une sortie du microcanal,
– des pièges capillaires se succédant entre l’entrée et la sortie du microcanal, chacun des pièges capillaires comprenant une microcavité formée sur une paroi du microcanal de manière à déboucher dans le microcanal afin de piéger un ou plusieurs objets en suspension dans le fluide lorsque celui-ci s’écoule dans le microcanal.
Selon l’invention, chacun des pièges capillaires comprend un organe de rétention s’étendant dans le microcanal en regard de la microcavité de ce piège capillaire.
Un tel organe de rétention est ainsi configuré pour permettre une rétention de l’un au moins du ou des objets préalablement piégés dans cette microcavité en cas de déplacement de cet objet depuis cette microcavité vers cet organe de rétention.
L’invention permet ainsi de réduire l’échappement d’objets piégés dans les microcavités notamment lorsque le fluide change de sens de circulation, par exemple lors du retrait d’un tube d’injection.
L’invention permet notamment d’améliorer la reproductibilité des résultats d’analyse.
Dans la présente description, un microcanal est un canal dont le diamètre ou la plus grande dimension transversale est de l’ordre du micromètre, c’est-à-dire une dimension inférieure à 1 mm et supérieure ou égale à 1000 nm. De même, il est considéré qu’une microcavité est une cavité dont le diamètre ou la plus grande dimension est de l’ordre du micromètre, c’est-à-dire une dimension inférieure à 1 mm et supérieure ou égale à 1000 nm.
De manière non limitative, les objets peuvent être des cristaux, des cellules ou encore des particules dont la taille est également de l’ordre du micromètre, c’est-à-dire inférieure à 1 mm et supérieure ou égale à 1000 nm
Le fluide peut être liquide ou gazeux.
Dans un mode de réalisation, pour chacun des pièges capillaires, l’organe de rétention comprend une surface de rétention.
La surface de rétention est une surface de l’organe de rétention qui s’étend en regard de la microcavité du piège capillaire correspondant.
La surface de rétention est de préférence concave ou en creux.
La surface de rétention et/ou plus généralement l’organe de rétention peut présenter un profil asymétrique.
Dans un mode de réalisation, pour chacun des pièges capillaires, l’organe de rétention comprend un premier bord délimitant une extrémité amont de la surface de rétention et un deuxième bord délimitant une extrémité aval de la surface de rétention, le premier bord étant situé à une première distance de la microcavité de ce piège capillaire, le deuxième bord étant situé à une deuxième distance de la microcavité de ce piège capillaire, la première distance étant supérieure à la deuxième distance.
Les termes « amont » et « aval » sont ici définis en référence à un sens d’écoulement du fluide dans le microcanal, par exemple lorsque le fluide y est introduit.
Une distance différente par rapport à la microcavité entre le premier bord et le deuxième bord permet de favoriser la capture des objets lorsque le fluide s’écoule dans un sens allant de l’entrée vers la sortie du microcanal et/ou de favoriser leur rétention lorsque le fluide change de direction.
De manière non limitative, la deuxième distance peut être supérieure à 1,2 fois la première distance, par exemple égale ou proche de 1,5 fois la première distance.
A titre d’exemple nullement limitatif, la première distance peut être de 10 µm et la deuxième distance de 15 µm.
Dans un mode de réalisation, pour chacun des pièges capillaires, l’organe de rétention s’étend le long d’une direction d’écoulement du microcanal en présentant une largeur inférieure ou égale à une largeur de la microcavité de ce piège capillaire.
De manière non limitative, la longueur de l’organe de rétention peut être inférieure à 0,8 fois la largeur de la microcavité, par exemple égale ou proche de 0,7 fois la largeur de la microcavité.
A titre d’exemple nullement limitatif, la largeur de la microcavité peut être de 40 µm et la longueur de l’organe de rétention de 28 µm.
Dans un mode de réalisation, ledit microcanal est un microcanal primaire, chacun des pièges capillaires comprenant un microcanal secondaire débouchant dans la microcavité de ce piège capillaire.
Un microcanal secondaire permet d’améliorer la capture d’objets au sein du piège capillaire correspondant.
Selon une variante de réalisation, pour chacun des pièges capillaires, le microcanal secondaire comprend :
– une première extrémité par laquelle il débouche dans la microcavité de ce piège capillaire laquelle débouche dans un tronçon du microcanal primaire et
– une deuxième extrémité par laquelle il débouche dans un autre tronçon du microcanal primaire.
Un tel agencement permet d’améliorer l’efficacité des pièges capillaires tout en réduisant la compacité du dispositif.
Dans un mode de réalisation, le dispositif comprend un organe d’injection tel qu’un tube configuré pour introduire ledit fluide dans le microcanal et des moyens de branchement/débranchement de cet organe d’injection.
Autrement dit, le dispositif de l’invention peut comprendre des moyens d’injection de fluide conventionnels.
Le support peut être une puce d’un système du type laboratoire sur puce.
L’invention a aussi pour objet un procédé d’analyse d’objets comprenant une étape d’injection d’un fluide dans le microcanal d’un dispositif microfluidique tel que défini ci-dessus, lesdits objets étant en suspension dans le fluide ainsi injecté.
Ce procédé peut comprendre une étape de détection optique des objets retenus par les pièges capillaires du dispositif microfluidique, par exemple par irradiation des objets par rayons X.
D’autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée, non limitative, qui suit.
La description détaillée qui suit fait référence aux dessins annexés sur lesquels :
est une vue schématique d’un dispositif microfluidique conforme à l’invention, ce dispositif comprenant une puce supportant un réseau microfluidique ;
est un grossissement d’une partie du réseau microfluidique du dispositif de la , faisant apparaître plus précisément des microcanaux secondaires appartenant à des pièges capillaires fluidiquement reliés à un microcanal primaire ;
est un grossissement supplémentaire d’une partie du réseau microfluidique de la , faisant apparaître plus précisément deux pièges capillaires adjacents, chacun de ces pièges capillaires comprenant une microcavité, un microcanal secondaire et un organe de rétention.
Description détaillée de modes de réalisation
Il est représenté sur la un exemple nullement limitatif d’un dispositif microfluidique 1 conforme à l’invention.
Le dispositif 1 comprend un support 10 formant une puce d’un système de laboratoire sur puce, généralement dénommé « lab-on-chip » en anglais.
Le support 10 comprend un réseau microfluidique formant un microcanal 2, dit primaire, ayant une entrée 3 et une sortie 4.
En référence à la , le microcanal 2 comprend des tronçons 201-219 définissant une trajectoire ou direction d’écoulement en serpentin, permettant notamment d’augmenter la compacité du dispositif 1.
Le tronçon 201, partiellement représenté sur la , comprend une extrémité formant l’entrée 3 du microcanal 2 et une autre extrémité reliée au tronçon 202. De manière analogue, le tronçon 219, partiellement représenté sur la , comprend une extrémité formant la sortie 4 du microcanal 2 et une autre extrémité reliée au tronçon 218.
Dans cet exemple, les tronçons 202, 204, 206, 208, 210, 212, 214, 216 et 218 s’étendent parallèlement les uns par rapport aux autres et les tronçons 203, 205, 207, 209, 211, 213, 215 et 217 relient respectivement l’un à l’autre les tronçons 202 et 204, 204 et 206, 206 et 208, 208 et 210, 210 et 212, 212 et 214, 214 et 216, 216 et 218.
Les tronçons 203, 209 et 215 d’une part et 205, 211 et 217 d’autre part définissent une largeur D1 du réseau microfluidique.
Dans cet exemple, les tronçons 204, 210 et 216 s’étendent sur toute la largeur D1 du réseau microfluidique tandis que les tronçons 202, 206, 208, 212, 214 et 218 s’étendent sur une distance correspondant environ à la moitié de la largeur D1 du réseau microfluidique.
En considérant un axe médian passant entre les tronçons 203, 209 et 215 d’une part et les tronçons 205, 211 et 217 d’autre part, les tronçons 206, 212 et 218 s’étendent principalement d’un premier côté de cet axe médian (à gauche sur la ) et les tronçons 202, 208 et 214 s’étendent principalement d’un deuxième côté de cet axe médian (à droite sur la ).
Une telle géométrie présente notamment des avantages en termes de disposition de pièges capillaires 5 du dispositif 1, décrits plus loin ci-dessous, et de fonctionnement du dispositif 1.
Dans cet exemple, le microcanal 2 présente un diamètre de 200 µm et définit un volume global d’environ 3,2 nL.
De manière connue en soi, le microcanal 2 permet d’acheminer un fluide depuis l’entrée 3 jusqu’à la sortie 4, introduit dans le microcanal 2 par un organe d’injection (non représenté) tel qu’un tube connecté de manière amovible à l’entrée 3 du microcanal 2.
Dans cet exemple, le fluide est un liquide dans lequel des objets sont en suspension. De manière non limitative, le liquide peut typiquement former un milieu salin ayant un pH compris entre cinq et neuf.
Les objets en suspension dans le liquide sont dans cet exemple des cristaux ayant une taille de l’ordre du micromètre, c’est-à-dire inférieure à 1 mm et supérieure ou égale à 1000 nm, typiquement une taille moyenne comprise entre 10 µm et 15 µm.
La présente description s’applique par analogie à une mise en œuvre du dispositif 1 avec un autre fluide, par exemple un fluide gazeux, et/ou des objets autres que des cristaux.
Il est représenté sur la deux pièges capillaires 5 du dispositif 1.
Chacun de ces pièges capillaires 5 comprend une microcavité 6, un organe de rétention 7 et un microcanal 8, appelé microcanal secondaire.
Dans cet exemple, le microcanal secondaire 8 présente un diamètre de 10 µm.
Il va maintenant être décrit le piège capillaire 5 situé à droite de la .
La microcavité 6 est formée sur une paroi du microcanal primaire 2 de manière à déboucher dans le microcanal primaire 2 par une ouverture de largeur D2, la largeur D2 étant considérée selon la direction d’écoulement.
Dans cet exemple, la microcavité 6 présente une forme hémisphérique de sorte que l’ouverture précitée est circulaire. La largeur D2 correspond ainsi à un diamètre d’ouverture de la microcavité 6.
Le microcanal secondaire 8 comprend une première extrémité 8A par laquelle il débouche dans la microcavité 6 et une deuxième extrémité 8B par laquelle il débouche dans le microcanal primaire 2.
Dans cet exemple particulier, ce microcanal secondaire 8 débouche par sa deuxième extrémité 8B dans le tronçon 204 du microcanal primaire 2 et par sa première extrémité 8A dans la microcavité 6 laquelle débouche dans le tronçon 202 du microcanal primaire 2 (voir figures 2 et 3).
Toujours en référence au piège capillaire 5 situé à droite de la , l’organe de rétention 7 s’étend dans le microcanal primaire 2, en l’occurrence dans le tronçon 202, en vis-à-vis de la microcavité 6 de ce piège capillaire 5.
L’organe de rétention 7 comprend une surface 71, dite de rétention, qui s’étend en regard de la microcavité 6, une surface opposée 72, une surface amont 73 et une surface aval 74.
Les termes « amont » et « aval » s’entendent par rapport à un sens d’écoulement S1 du liquide dans le microcanal primaire 2 lorsque celui-ci se déplace de l’entrée 3 vers la sortie 4.
Les surfaces 71-74 de l’organe de rétention 7 sont séparées les unes des autres par des bords 75-78 formant dans cet exemple des arêtes. Le bord 75 délimite les surfaces 71 et 73, le bord 76 délimite les surfaces 72 et 73, le bord 77 délimite les surfaces 72 et 74 et le bord 78 délimite les surfaces 71 et 74.
Les surfaces 71 et 72 définissent une épaisseur de l’organe de rétention 7.
Selon la direction d’écoulement, l’organe de rétention 7 présente une largeur D3 qui correspond dans cet exemple à une distance entre les bords 75 et 77, le bord 75 délimitant une extrémité amont à la fois de la surface de rétention 71 et de l’organe de rétention 7, le bord 77 délimitant une extrémité aval à la fois de la surface opposée 72 et de l’organe de rétention 7.
La largeur D3 de l’organe de rétention 7 est inférieure à la largeur D2 de la microcavité 6. Dans cet exemple particulier, D2 est égale à 40 µm et D3 est égale à 28 µm.
L’organe de rétention 7 est situé à distance de la microcavité 6.
Plus précisément, le bord 75 est situé à une distance D4 de la microcavité 6, c’est-à-dire de ladite ouverture de la microcavité 6, tandis que le bord 78, qui délimite une extrémité aval de la surface de rétention 71, est situé à une distance D5 de la microcavité 6, c’est-à-dire de ladite ouverture de la microcavité 6.
La distance D4 est ici supérieure à la distance D5. Dans cet exemple, D4 est égale à 15 µm et D5 est égale à 10 µm.
L’organe de rétention 7 présente une géométrie asymétrique. Notamment, l’épaisseur de l’organe de rétention 7 est plus petite au niveau de son extrémité amont que de son extrémité aval.
Dans cet exemple, la surface de rétention 71 est concave et la surface opposée 72 est convexe.
Une telle géométrie et de telles dimensions de l’organe de rétention 7 permettent à la fois de réduire les perturbations de l’écoulement de liquide dans le microcanal 2 tout en contribuant à la capture et à la rétention d’objets au sein de ce piège capillaire 5.
La description qui précède s’applique par analogie au piège capillaire 5 situé à gauche de la et à chacun des autres pièges capillaires 5 représentés sur la .
En référence à la , les différents pièges capillaires 5 du dispositif 1 se succèdent entre l’entrée 3 et la sortie 4 du microcanal primaire 2 par séries de 30 pièges capillaires 5 adjacents.
Une première série de pièges capillaires 5 se succèdent le long du tronçon 202 au sens où la microcavité 6 de chacun de ces pièges capillaires 5 débouche dans le tronçon 202 et l’organe de rétention 7 de chacun de ces pièges capillaires 5 s’étend dans le tronçon 202, le microcanal secondaire 8 de chacun de ces pièges capillaires 5 débouchant par sa deuxième extrémité 8B dans le tronçon 204.
De manière analogue, une deuxième série de pièges capillaires 5 se succèdent le long du tronçon 204, leur microcavité 6 débouchant dans le tronçon 204, leur organe de rétention 7 s’étendant dans le tronçon 202, leur microcanal secondaire 8 débouchant par leur deuxième extrémité 8B dans le tronçon 206. Une troisième série de pièges capillaires 5 se succèdent le long du tronçon 208, leur microcavité 6 débouchant dans le tronçon 208, leur organe de rétention 7 s’étendant dans le tronçon 208, leur microcanal secondaire 8 débouchant par leur deuxième extrémité 8B dans le tronçon 210. Une quatrième série de pièges capillaires 5 se succèdent le long du tronçon 210, leur microcavité 6 débouchant dans le tronçon 210, leur organe de rétention 7 s’étendant dans le tronçon 210, leur microcanal secondaire 8 débouchant par leur deuxième extrémité 8B dans le tronçon 212. Une cinquième série de pièges capillaires 5 se succèdent le long du tronçon 214, leur microcavité 6 débouchant dans le tronçon 214, leur organe de rétention 7 s’étendant dans le tronçon 214, leur microcanal secondaire 8 débouchant par leur deuxième extrémité 8B dans le tronçon 216. Une sixième série de pièges capillaires 5 se succèdent le long du tronçon 216, leur microcavité 6 débouchant dans le tronçon 216, leur organe de rétention 7 s’étendant dans le tronçon 216, leur microcanal secondaire 8 débouchant par leur deuxième extrémité 8B dans le tronçon 218.
Le réseau microfluidique du dispositif 1 est ainsi formé par le microcanal primaire 2 et par l’ensemble des microcanaux secondaires 8 des pièges capillaires 5.
Lorsque le liquide est injecté dans le microcanal 2 par son entrée 3, les différents pièges capillaires 5 permettent chacun de retenir au sein de la microcavité 6 un ou plusieurs objets en suspension dans le liquide. Typiquement, les objets pénètrent dans un piège 5 à travers l’espace s’étendant entre la microcavité 6 et l’extrémité amont de l’organe de rétention 7 correspondants.
La capture des objets est notamment facilitée par la résistance des différentes parties du réseau microfluidique à l’écoulement du liquide, laquelle évolue au fur et à mesure de la capture. Plus précisément, les microcanaux secondaires 8 ayant une résistance hydraulique plus faible que celle du microcanal primaire 2, des objets situés à une certaine position le long de la direction d’écoulement vont avoir tendance à se diriger vers un microcanal secondaire 8 à proximité duquel ils sont situés de manière à se loger dans la microcavité 6 du piège capillaire 5 correspondant. Les objets ainsi capturés tendent à obturer ce microcanal secondaire 8 augmentant localement la résistance hydraulique, de sorte que des objets non capturés tendent à se diriger vers des pièges capillaires 5 plus en aval.
Lorsque le tube d’injection est retiré du dispositif 1, un phénomène d’aspiration se produit entraînant typiquement un changement du sens d’écoulement du liquide le faisant se déplacer dans un sens S2 allant de la sortie 4 vers l’entrée 3 du microcanal primaire 2, ou entraînant des mouvements de va-et-vient du liquide au sein de ce microcanal 2. Typiquement, le retrait du tube d’injection produit un vide, correspondant à un volume d’environ 5 µL dans cet exemple, qui aspire le liquide situé dans le réseau microfluidique en-dehors de celui-ci, ce volume de vide d’aspiration étant en l’occurrence beaucoup plus important que le volume global du liquide remplissant le microcanal 2, soit environ 3,2 nL dans cet exemple. Cela tend typiquement à faire sortir les objets des microcavités 6 dans lesquels ils étaient piégés, et à déplacer au moins une partie d’entre eux en direction des organes de rétention 7 compte tenu de la disposition de ces derniers en regard des microcavités 6. La géométrie des organes de rétention 7, notamment dans cet exemple la concavité de la surface de rétention 71 et la disposition du bord amont 75, contribuent à retenir ces objets dans les pièges 5.
Une analyse peut ensuite être réalisée, par exemple par détection optique des objets ainsi retenus dans les pièges capillaires 5.
De nombreuses variantes peuvent être apportées au dispositif microfluidique 1 décrit ci-dessus, notamment en termes de géométrie et/ou de dimension du microcanal 2, des pièges capillaires 5 et/ou en particulier des organes de rétention 7, par exemple en fonction du type d’objets à analyser et/ou de la nature du fluide de transport utilisé. Ainsi, dans une variante non représentée, ladite surface de rétention peut avoir une forme creuse non courbe. Pour autre exemple, la position et/ou l’orientation des organes de rétention peuvent être différentes de celles représentées sur la .

Claims (10)

  1. Dispositif microfluidique (1) comprenant :
    – un support (10) comprenant un microcanal (2) configuré pour permettre un écoulement d’un fluide depuis une entrée (3) du microcanal (2) jusqu’à une sortie (4) du microcanal (2),
    – des pièges capillaires (5) se succédant entre l’entrée (3) et la sortie (4) du microcanal (2), chacun des pièges capillaires (5) comprenant une microcavité (6) formée sur une paroi du microcanal (2) de manière à déboucher dans le microcanal (2) afin de piéger un ou plusieurs objets en suspension dans le fluide lorsque celui-ci s’écoule dans le microcanal (2),
    caractérisé en ce que chacun des pièges capillaires (5) comprend un organe de rétention (7) s’étendant dans le microcanal (2) en regard de la microcavité (6) de ce piège capillaire (5).
  2. Dispositif (1) selon la revendication 1, dans lequel, pour chacun des pièges capillaires (5), l’organe de rétention (7) comprend une surface de rétention (71) concave.
  3. Dispositif (1) selon la revendication 2, dans lequel, pour chacun des pièges capillaires (5), l’organe de rétention (7) comprend un premier bord (75) délimitant une extrémité amont de la surface de rétention (71) et un deuxième bord (78) délimitant une extrémité aval de la surface de rétention (71), le premier bord (75) étant situé à une première distance (D4) de la microcavité (6) de ce piège capillaire (5), le deuxième bord (78) étant situé à une deuxième distance (D5) de la microcavité (6) de ce piège capillaire (5), la première distance (D4) étant supérieure à la deuxième distance (D5).
  4. Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel, pour chacun des pièges capillaires (5), l’organe de rétention (7) s’étend le long d’une direction d’écoulement du microcanal (2) en présentant une largeur (D3) inférieure ou égale à une largeur (D2) de la microcavité (6) de ce piège capillaire (5).
  5. Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel ledit microcanal (2) est un microcanal primaire, chacun des pièges capillaires (5) comprenant un microcanal secondaire (8) débouchant dans la microcavité (6) de ce piège capillaire (5).
  6. Dispositif (1) selon la revendication 5, dans lequel, pour chacun des pièges capillaires (5), le microcanal secondaire (8) comprend :
    – une première extrémité (8A) par laquelle il débouche dans la microcavité (6) de ce piège capillaire (5) laquelle débouche dans un tronçon (202) du microcanal primaire (2) et
    – une deuxième extrémité (8B) par laquelle il débouche dans un autre tronçon (204) du microcanal primaire (2).
  7. Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant un organe d’injection tel qu’un tube configuré pour introduire ledit fluide dans le microcanal (2) et des moyens de branchement/débranchement de cet organe d’injection.
  8. Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le support (10) est une puce d’un système du type laboratoire sur puce.
  9. Procédé d’analyse d’objets comprenant une étape d’injection d’un fluide dans le microcanal (2) d’un dispositif microfluidique (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, lesdits objets étant en suspension dans le fluide ainsi injecté.
  10. Procédé selon la revendication 9, comprenant une étape de détection optique des objets retenus par les pièges capillaires (5) du dispositif microfluidique (1).
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