WO2012131644A1 - Procede de formation de motifs d'objets sur la surface d'un substrat - Google Patents

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WO2012131644A1
WO2012131644A1 PCT/IB2012/051567 IB2012051567W WO2012131644A1 WO 2012131644 A1 WO2012131644 A1 WO 2012131644A1 IB 2012051567 W IB2012051567 W IB 2012051567W WO 2012131644 A1 WO2012131644 A1 WO 2012131644A1
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WO
WIPO (PCT)
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objects
substrate
stamp
patch
spraying
Prior art date
Application number
PCT/IB2012/051567
Other languages
English (en)
Inventor
Emmanuel Flahaut
Christophe Vieu
Florent SEICHEPINE
Amélie BEDUER
Original Assignee
Centre National De La Recherche Scientifique
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National De La Recherche Scientifique filed Critical Centre National De La Recherche Scientifique
Publication of WO2012131644A1 publication Critical patent/WO2012131644A1/fr

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03F—PHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
    • G03F7/00—Photomechanical, e.g. photolithographic, production of textured or patterned surfaces, e.g. printing surfaces; Materials therefor, e.g. comprising photoresists; Apparatus specially adapted therefor
    • G03F7/0002—Lithographic processes using patterning methods other than those involving the exposure to radiation, e.g. by stamping
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y10/00—Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures

Definitions

  • the present invention relates to a method of forming patterns of objects on the surface of a substrate.
  • the present invention also relates to the use of the method according to the invention, in the field of microelectronics as well as in tissue engineering or for the manufacture of cell culture support as well as for functionalizing the surface of the biosensors.
  • the protocols for making deposits of objects of interest on the surface of a substrate comprise specific functionalization steps of said surface to allow selective adsorption of the objects according to the affinity of the latter with said surface of the substrate. substrate.
  • the substrate must then undergo a chemical modification of its surface and then be brought into contact with the suspension of objects. Problems of non-specific adsorption and control of the concentration of objects on the substrate greatly limit this method (A. Cerf et al., Colloids and Surfaces B: Biointerfaces 65, pp. 285-291, 2008).
  • Gentle lithography and more precisely micro-contact printing (Micro-Contact Printing in English or ⁇ ), offers an alternative of choice to the aforementioned methods.
  • Gentle lithography is a method that was described in 1993 by G. Whitesides Group and is now found in many applications in organic electronics (OLEDs), biochip fabrication and on-chip labs (Kumar, Amit, Whitesides, George M Applied Physics Letters, 63 (14), issue 14, pp. 2002-2004, 1993).
  • This method consists in producing patterns at the micrometric and submicrometric scale (at least one of which is from 50 nm to 500 ⁇ m, inclusive) by simply touching a stamp made of an elastomeric material, the most often polydimethylsiloxane (PDMS), with the surface of a substrate.
  • This stamp obtained by molding on an original silicon support from which copies are made (also called mold or master in English), may contain patterns of any geometry. The smallest dimension of the patterns that can be made by this stamp is 50 nm.
  • the objects of interest are first suspended or in solution if they are soluble, then deposited on the stamp (inking step), and finally transferred from said stamp to the surface of a contact substrate (printing step).
  • the patterns or structures of the stamp come into contact with the surface of the substrate and deposit on it, the objects of interest, previously impregnated on the stamp.
  • the transfer of the molecules is done in perfectly controlled patterns.
  • Soft lithography and more particularly micro-contact printing (CP) is therefore very adapted to the new issues of nanosciences and nanotechnologies, because it allows:
  • the deposition of the ink, which comprises the objects of interest, on the stamp is carried out by incubation or by soaking said ink on the stamp.
  • C. Thibault et al. (Journal of Nanobiotechnology, 2005, 3: 7, pages 1-12) teach that the micro-contact printing process ( ⁇ ) can be used to directly print oligonucleotides on the surface of a glass substrate, and thus to be used for the fabrication of biochips to identify genetic mutations.
  • the patch is inked by incubation by depositing a drop of oligonucleotide solution on said patch.
  • Lalo et al. (Microelectronic Engineering, 2009, 86, pages 1428-1430) and the French patent application FR 2921002 describe a process for simultaneous deposition of different materials (biological materials, biomolecules, etc.) in a single step using a macrotimer PDMS .
  • the deposition of the solutions comprising the different materials is carried out by a simultaneous dipping operation of the stamp in a well plate filled with said solutions. After drying, said materials are transferred to the surface of the substrate by reproducing the patterns present on the stamp.
  • WO 2009/052120 discloses metal nanoparticle compositions of Ti, Ta, Nb, Fe, Cu, Ru, Mo, Ni, Co, Pt, Ag, Au, Pd suspended in water and an organic solvent miscible with water such as glycerol, ethylene glycol etc, and their deposit on a stamp by soaking to transfer them to a substrate by a microcontact printing.
  • inking by incubation or dipping may have certain disadvantages. Indeed, inking the stamp by incubation or dipping generally requires significant amounts of suspensions of objects of interest. In addition, during the incubation or soaking, the patch is in direct contact and prolonged with the solvent, which can cause the deformation or attack of the latter. This is particularly the case when the stamps used are in PDMS and the solvent is a solvent such as ethanol, THF, etc. Moreover, when the objects of interest to be deposited are of nanometric dimensions, the incubation or dipping technique does not always make it possible to deposit a layer of satisfactory density and / or homogeneity on the stamp and, subsequently, on the substrate at the end of the printing step.
  • US 2008/233489 discloses a method of forming functional material patterns on the surface of a substrate.
  • a first surface modification material is applied to the surface of the patch prior to the application of a second functional material.
  • the surface modification material of the patch is selected from amphiphilic compounds, electrolytes, biologically active materials, (meth) acrylic polymers, vinyl polymers, copolymers of vinyl and (meth) acrylic polymers, or (co) aromatic conjugated polymers.
  • the presence of said modification material on the surface of the patch, prior to the application of the functional material is essential because it is intended to allow in particular a better wetting of the surface of the stamp and therefore a uniform pattern of patterns.
  • This surface modification step by deposition of a layer of material prior to the step of ink stamping, is added to all the operations of the printing process, which makes the implementation of this more complex and less economical process on the industrial level. Furthermore, the implementation of surface modification materials is likely to cause serious problems of substrate contamination during the printing step. In addition, the presence of the modification material on the surface of the patch does not guarantee the non-penetration of the solvent within (inside) the patch and therefore the possible disadvantages of swelling of the patch in some cases.
  • an inking process which can be used in soft lithography, especially in micro-contact printing, which avoids the additional step of depositing a surface modification material in the aim of improving the surface properties of the stamp, and which makes it possible to form, after printing, patterns in the form of layers of homogeneous, dense and structured objects, at least one of the dimensions of said patterns being between 50 nm and 500 ⁇ , terminals included.
  • the present invention is specifically intended to meet these needs by providing a method of forming patterns of objects on the surface of a substrate, by soft lithography, in particular by micro-contact printing ( ⁇ ), characterized in that it comprises the following steps:
  • Precise patterns, with specific objects, having remarkable properties, for example in terms of reactivity, thermal conductivity, surface charge, biocompatibility, biological activity, optical properties (eg fluorescence), etc. be made on a substrate with the method of the invention.
  • the deposition of objects in colloidal suspension on the stamp by spraying leads, after the transfer step b), to obtain homogeneous and dense layers of patterns of objects on the surface of the substrate.
  • a layer is considered as: - dense, when it does not present gaps of objects in the patterns formed on the surface of the substrate, visible by scanning electron microscopic observation or atomic force;
  • colloidal suspension a suspension or dispersion of two distinct phases: a dispersion medium (a solvent or a mixture of solvents) and a dispersed phase (the objects).
  • the suspension is stable which means that it does not sediment; it is homogeneous, that is to say that it is formed of objects, at least one of whose dimensions ranges from a few nanometers to a few hundred nanometers, for example from 2 to 200 nanometers inclusive.
  • Said objects are not visible to the naked eye or to the optical microscope. However, they can be highlighted using an electron microscope, or in the near field (AFM) for example.
  • the terms “size” and “dimension” of an object or pattern may be used interchangeably to refer to length, width, diameter, depth and / or thickness of said object or said pattern. It should be noted that when the expression “the smallest dimension” is used for a single-dimensional object or pattern of the nanotube, nanofiber or nanowire type, this expression will refer, in general, to the diameter of said object or said pattern. In the case of a pattern or object in the form of a layer or a sheet, the expression “the smallest dimension” will, in general, correspond to the thickness of said object or pattern.
  • object or “nano-objects” shall mean, broadly, any object or molecule, synthetic or natural (Ie), at least one of whose dimensions is nanometer order (for example between 1 and 100 nm, limits included).
  • these terms which can be used interchangeably, can cover, for example, microorganisms, DNA strands, metal oxides and carbon nanotubes (which, although having a diameter of a few nanometers, can reach a length of the order of a millimeter).
  • the objects may be chosen from the group consisting of:
  • nano-carbon objects for example carbon nanotubes, fullerenes, carbon nanofibers, carbon nanoparticles, graphene,
  • metal nanoparticles and / or nanofilaments for example gold (Au), platinum (Pt), nickel (Ni) and their oxides; semiconductors such as silicon (Si), indium phosphide (InP), gallium nitride (GaN); metal oxides such as TiO 2 , ZnO,
  • biological objects selected from DNA, cells, microorganisms, bacteria, proteins, antibodies, viruses.
  • the suspension of step a) may comprise one or a mixture of several types of objects.
  • Colloidal suspensions of objects may be formed in a solvent or a mixture of solvents.
  • the chosen solvent (s) must be compatible with the objects that is to say that there must not be any chemical interaction between the (s) ) solvent (s) and said objects.
  • the solvent (s) chosen must also have a good ability to wet the surface of the patch to allow homogeneous deposition of the objects on said surface.
  • the solvent is advantageously a solvent having a boiling point of at most 150 ° C., preferably chosen from water, methanol, ethanol, propanol, isopropanol, n-butanol and ether. ethyl, THF, chloroform, DMSO, toluene, dichloromethane, acetone, hexane, the culture medium when the objects are organic, and / or the mixture of at least two thereof.
  • the concentration of objects in the suspension in step a) can be between 0.01 and 1 mg / ml, advantageously between 0.05 and 0.7 mg / ml, more advantageously between 0.1 and 0.5 mg / ml, limits included. This concentration can be different, especially when it comes to biological molecules as described above.
  • the colloidal suspension of objects in step a), especially when the objects are nano-objects of carbon or nanoparticles and / or nanofilms of metals, semiconductors or metal oxides, can, in addition, comprise a surfactant or surfactant to facilitate the suspension of objects and improve the stability of said suspension.
  • a surfactant or surfactant depends on the type of objects, its solubility and the solvent used. By way of indication, mention may be made, more particularly, of anionic surfactants having a hydrophilic tendency and a hydrophilic / lipophilic balance (HLB) ranging from 8 to 18. Among this type of surfactants, mention may be made, for example, of sodium lauryl sulphate.
  • sodium dodecyl sulphate SDS
  • triethanolamine lauryl sulphate sodium dioctyl sulphosuccinate, sodium dodecyl benzene sulphonate, triton, hexadecyl trimethyl ammonium bromide.
  • CMC carboxymethylcellulose
  • sodium cholate sodium deoxycholate.
  • the surfactant is advantageously dissolved in the solvent or solvent mixture if appropriate, before the introduction of the objects.
  • the colloidal suspension of objects in step a) can be homogenized, for example, by ultrasonic treatment or mechanical stirring using homogenizers (ultraturrax for example), vortices, magnetized bars. or any other mechanical agitation system.
  • homogenizers ultraturrax for example
  • vortices vortices
  • magnetized bars magnetized bars
  • any other mechanical agitation system any other mechanical agitation system.
  • the skilled person is able to choose the most suitable means of homogenization.
  • the method of the invention may comprise, in addition, before step a), a step of preparing the colloidal suspension of objects according to the techniques and methods known to those skilled in the art.
  • the deposit can begin.
  • step a The deposition of objects on the patch whose surface is rendered hydrophilic by a physical treatment, in step a), is then done by spraying.
  • spraying is intended to mean a deposition technique which consists of projecting onto a substrate by means of a gas or a mixture of at least two compressed gases, fine droplets, for example a colloidal suspension. objects according to the invention, which will then be deposited on said substrate to form a thin layer of said objects.
  • thin layer is meant a layer whose thickness is of the same order of magnitude as the smallest dimension of the objects.
  • the deposit of objects on the stamp by spraying has several advantages.
  • the spray is simple and quick to perform. It does not require heavy equipment or expensive. It makes it possible to produce dense, homogeneous and controlled-size patterns, at least one of whose dimensions is between 50 nm and 500 ⁇ , inclusive, with objects such as nanoparticles, microparticles, microorganisms, bacteria, nanowires, which, until now, could not be deposited by conventional inking processes (incubation or soaking), on a previously unfunctionalized substrate.
  • the spray is compatible with a large number of solvents and makes it possible to deposit a wide range of objects, whether objects such as those mentioned above, other biological entities or any other molecules.
  • the deposit made by spraying does not modify the topography of the patch and is not affected by it.
  • Spraying can be carried out using any known type of spray device, manually or automated.
  • the colloidal suspension of step a) is introduced into the reservoir of a spraying device.
  • the surface of the stamp is then scanned.
  • the spraying is carried out directly on the surface of the stamp without prior modification of the surface of the stamp, in particular by chemical and / or physical deposition of a material.
  • the surface of the patch on which the spray is made is rendered hydrophilic by a physical treatment, preferably during the manufacture of said stamp.
  • said stamp is processed, during its manufacture and therefore prior to the deposition of the carbon nanotubes, by an oxidizing plasma in order to make its surface more hydrophilic.
  • the concentration of the suspension of objects can be modulated.
  • various functional parameters such as the concentration of the suspension of objects, the source-sample distance corresponding to the distance nozzle-stamp, the diameter of the nozzle, the duration of deposition, spray pressure, environmental parameters (temperature, hygrometry, etc.), the characteristics of the layer of objects in terms of deposition quality, density and thickness, can be modulated.
  • an optimization of the functional parameters will allow the rapid evaporation of the solvent (s) of the colloidal suspension.
  • Spraying is advantageously carried out by means of a spraying nozzle with a diameter of between 100 and 500 ⁇ , preferably between 200 and 400 ⁇ , limits included.
  • the thrust pressure during spraying may depend on the spraying device used.
  • the spraying can, for example, be carried out with a thrust pressure of between 1 and 20 bar, preferably between 1 and 10 bar, and even more preferably between 3 and 7 bar inclusive.
  • the term “thrust pressure” is understood to mean the pressure required to project fine droplets of colloidal suspension of objects onto a substrate, for example the surface of a patch.
  • the thrust pressure of the spray is obtained with a gas or a mixture of gas selected from nitrogen, air (gas mixture comprising at least 78% of N 2 and 20% of O 2 ).
  • the spraying can be carried out at a temperature between 15 and 100 ° C inclusive. Preferably, the spraying is carried out at a temperature between 20 and 30 ° C inclusive.
  • the source-sample distance which corresponds to the distance between the spray nozzle and the surface of the patch, may be for example at least 10 cm, preferably from 15 to 45 cm, more preferably still from 20 to 30 cm, limits included. .
  • the duration of spraying can be from 1 second to 10 minutes, preferably from 5 seconds to 7 minutes, inclusive.
  • the different spraying parameters are related and interdependent and may, in addition, depend on the spray device implemented.
  • environmental parameters such as temperature and / or humidity (hygrometry) are also important and may affect the spraying and thus the quality of the deposition on the surface of the stamp and subsequently the quality of the printing.
  • the spraying is carried out in a stable environment, for example when the temperature outside the sprayer is between 15 and 25 ° C inclusive, and / or the humidity is between 20 and 40% , terminals included.
  • Spray parameters may be adapted depending on the nature of the colloidal suspension to be sprayed, the nature of the surface that receives the deposit and the desired deposition characteristics.
  • the adjustment of the nozzle-stamp distance, the diameter of the nozzle and the temperature allows the deposition of the objects on the stamp and the rapid evaporation of the solvent (s) of the colloidal suspension comprising said objects. Thus, the prolonged contact between the patch and the solvent (s) of the colloidal suspension is avoided.
  • the spraying does not require a large amount of suspension of objects to rapidly cover large areas (a few milliliters of suspension such as, for example, 1 milliliter for a few square centimeters as, for example, 2 cm 2 ).
  • the spraying avoids prolonged contact of the patch with the solvent of the colloidal suspension of objects, since the solvent (s) evaporates (s) during the nozzle-substrate path.
  • many solvents and objects are compatible with the spraying process.
  • the quality of the final patterns on the substrate is dependent on the quality of the inking and therefore the spraying step.
  • the spray-inking technique according to the present invention allows a homogeneous and dense deposition of nano-objects over large areas, for example between 1 mm and 314 cm, and without any problem of non-specific adsorption. , that is to say without deposit outside the defined patterns.
  • the deposition by spraying makes it possible to produce patterns, at least one of whose lateral dimensions (in fact the thickness of these patterns may be close to one nanometer) is micrometric or even submicrometric, advantageously by micro-contact printing, objects that can not be deposited in a dense and homogeneous manner by incubation or dipping.
  • the surface of the stamp on which the spray is carried out is made of a material chosen from polydimethylsiloxane (PDMS), polymethylmethacrylate (PMMA), polyurethanes, polyepoxides and polyimides.
  • PDMS polydimethylsiloxane
  • PMMA polymethylmethacrylate
  • polyurethanes polyepoxides
  • polyimides polyimides.
  • This surface is preferably polydimethoxysilane (PDMS). It can be deposited on a support, for example glass, silicon, plastic.
  • the surface of the patch used in step a) is made hydrophilic in order to improve the quality of deposit.
  • said stamp is processed during its manufacture and therefore prior to the deposition of the carbon nanotubes, by a plasma oxidizer to make its surface more hydrophilic.
  • the surface of the patch used in step a) of the process of the invention is rendered hydrophilic by physical treatment.
  • This physical treatment can occur at any time before the spraying step. Preferably, it intervenes during the manufacture of the stamp.
  • the physical treatment may be any physical treatment known to those skilled in the art not having the purpose of depositing or grafting molecules and / or materials on the surface of the patch.
  • the physical treatment is an oxidizing physical treatment, for example, an oxidizing plasma treatment (also called oxygen plasma) or an ozonization under ultraviolet radiation (also called UV-ozone cleaning).
  • oxidizing plasma treatment also called oxygen plasma
  • ozonization under ultraviolet radiation also called UV-ozone cleaning
  • the hydrophilic nature of the surface of the patch is determined by the method of measuring the contact angle with water.
  • the measurement of the water contact angle accounts for the ability of a drop of water to spread over the surface of the patch, by wettability.
  • the method consists in measuring the angle of the tangent of the profile of a drop of water deposited on the stamp, with the surface of the stamp. The more the surface of the patch is hydrophilic, the more the drop of water will spread out and the contact angle will be small. The more the surface of the patch is hydrophobic, the more the drop of water will remain spherical and the contact angle will be high.
  • the patch has a contact angle of less than 30 °, in a wettability experiment carried out with a drop of pure water, that is to say a water containing no objects and / or impurities.
  • PDMS is a particularly interesting material because it is optically transparent at about 300 nm, thermally stable up to 150 ° C., inert with respect to most of the chemicals used, and has desirable physical properties, for example elasticity (Young's modulus of PDMS is 2 MPa). Its low surface energy allows easy release of species adsorbed on its surface during the printing step. It has a low thermal expansion.
  • the patch used in the process of the invention is preferably a PDMS patch with a hydrophilic surface.
  • This material is molded rapidly and at low cost on small-scale structured silicon surfaces, that is to say structures of which at least one of the dimensions is between 50 nm and 500 ⁇ , limits included, by microfabrication techniques from microelectronics ("molds").
  • the PDMS stamp After molding and crosslinking, the PDMS stamp has on its surface topographic patterns, consistent with those existing in the silicon mold. The depth of the patterns can be between 30 ⁇ and 50nm. The depth of the stamp in PDMS thus structured is greater than the thickness of the objects to be deposited. This therefore allows a deposit in accordance with the micro structures of the PDMS stamp, on the surface of the substrate at the end of the transfer step.
  • the surface of said stamp is made hydrophilic, preferably during its manufacture, by a physical treatment which is an oxidizing physical treatment, for example, an oxidizing plasma treatment (also called oxygen plasma) or an ozonization under ultraviolet radiation (also called cleaning UV-Ozone).
  • an oxidizing physical treatment for example, an oxidizing plasma treatment (also called oxygen plasma) or an ozonization under ultraviolet radiation (also called cleaning UV-Ozone).
  • no specific chemical treatment of the patch in particular the deposition of a material on the surface of the patch, is necessary prior to spray deposition.
  • the step of stamping the stamp by spraying has, in addition, the advantage of preventing any contamination of the substrate with Sioxane fragments, which can be transferred to same time as the objects, from the surface of the stamp to the surface of the substrate during the printing step and thus to affect the quality of the printing.
  • This phenomenon of contamination of the substrate by siloxane fragments is observed, more particularly, when the inking step is carried out by incubation or by dipping and the PDMS surface of the patch is in direct and prolonged contact with solvents.
  • the patch is brought into contact with the surface of a substrate.
  • the objects on the surface of the stamp are then transferred to the surface of the substrate.
  • the object patterns are thus transferred to the substrate in patterns that correspond precisely to the patterns created on the surface of the stamp used.
  • the patterns of objects formed on the surface of the substrate at the end of step b), are micrometric or even submicrometric, consistent with those of the stamp, that is to say that at least one of the dimensions of said patterns is between 50 nm and 500 ⁇ , terminals included.
  • the substrate on the surface of which the object patterns are formed may be different in nature depending on the intended application.
  • the substrate may be selected from metals such as iron, copper, aluminum; silicon; Si0 2 ; glass ; quartz; polymers such as polymethyl methacrylate (PMMA), polyglycolides (PGA), polyethylene terephthalate (PET), polytetrafluoroethylene (PTFE); ceramics such as alumina; the textile ; the paper.
  • metals such as iron, copper, aluminum; silicon; Si0 2 ; glass ; quartz; polymers such as polymethyl methacrylate (PMMA), polyglycolides (PGA), polyethylene terephthalate (PET), polytetrafluoroethylene (PTFE); ceramics such as alumina; the textile ; the paper.
  • PMMA polymethyl methacrylate
  • PGA polyglycolides
  • PET polyethylene terephthalate
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • the type of the substrate a transparent substrate, such as for example glass or quartz
  • the thickness deposited on the substrate does not exceed 1 ⁇ , for example, the transparency of the substrate can be preserved. after the printing step.
  • no chemical or physical treatment of the surface of the substrate is necessary, prior to the transfer step b).
  • the surface of the substrate may optionally be treated in order to make it possible to fix more strongly the objects transferred after contacting said stamp with the surface of said substrate at the end of step b), and to maintain them on said surface especially after the removal of the stamp.
  • the substrate may optionally be coated with one or more layers, for example, oxides, metals, ITO (In 2 O 3 , SnO 2 ).
  • oxides, metals, ITO In 2 O 3 , SnO 2
  • Other known methods for surface treatment can also be used. As such can be mentioned, for example, the methods described by JC. Cau et al. (Microelectronic Engineering 85, pp. 1143-1146, 2008).
  • the object patterns are transferred to the surface of the substrate.
  • a solvent may be chosen from water, methanol, ethanol, propanol, isopropanol, n-butanol, ethyl ether, THF, chloroform, DMSO, toluene, dichloromethane and acetone.
  • hexane the culture medium if the objects are organic, and the mixture of at least two thereof.
  • 10 to 20 ⁇ of solvent (s) can be applied to the substrate.
  • the transfer rate of the objects of the surface of the stamp to the surface of the substrate at the end of step b) is at least between 50 to 100%, advantageously from 70 to 100%. According to an advantageous embodiment, the transfer rate is 100%.
  • Transfer rate means the quantity of objects actually deposited on the substrate in step b) relative to the initial quantity of objects deposited on the stamp in step a).
  • the quality of the inking, the printing as well as the transfer rate of the objects in the process of the invention are controlled at different stages and in different ways.
  • the first control of the quality of the inking can be visual. It makes it possible to check the macroscopic homogeneity of the deposit.
  • the formation of the layer can be monitored in real time by means of an electrical assembly, for example composed of two electrodes placed on either side of the patch during the step of inking.
  • the electrical conductivity that is related to the amount of objects deposited can be measured by a multimeter.
  • a posteriori that is to say after printing on the substrate, observations and measurements can be performed on the printed substrate using a scanning electron microscope (SEM) and an atomic force microscope (AFM).
  • the process according to the invention can be used in many industrial fields.
  • the invention also relates to a method for generating interconnect tracks based on carbon nanotubes, characterized in that a substrate is used on the surface of which carbon nanotube units are formed by the method according to the invention.
  • the invention more particularly relates to a method for the growth of neuronal cells and / or differentiation of stem cells characterized in that a substrate is used on the surface of which carbon nanotube units are formed by the method of the invention. invention.
  • the invention also relates to a biosensor functionalization process characterized in that carbon nanotubes are formed on the surface of the biosensor by the method according to the invention.
  • This functionalization makes it possible to improve the sensitivity of the biosensor.
  • Image a) represents a scanning electron microscope (SEM) image of the surface of a PDMS stamp with microgrooves.
  • Image b) represents a Scanning Electron Microscopy (SEM) image of the surface of a PDMS stamp with microgrooves, said surface being covered entirely by a thin layer of double-walled carbon nanotubes (DWCNT) in carbon nanotubes of 50 to 150 nm thick, deposited according to the process of the invention.
  • SEM scanning electron microscope
  • DWCNT double-walled carbon nanotubes
  • FIG. 2 is a schematic representation of the method implemented to generate patterns of double walled carbon nanotubes (DWCNT) on the surface of a substrate.
  • DWCNT double walled carbon nanotubes
  • the patterns are in the form of lines with a width between 20 ⁇ (left) and 7 ⁇ (right).
  • the image on the left represents periodic networks of lines and space in a straight line.
  • the image on the right represents specific networks of lines with 90 ° angles.
  • FIG. 4 represents an atomic force microscopy image showing a typical pattern of double-walled carbon nanotubes (DWCNT) formed by the micro-contact printing. The lower part traces the profile obtained on a section of the deposit of carbon nanotubes, and shows the relief.
  • DWCNT double-walled carbon nanotubes
  • Image a) represents a layer of DWCNT before the removal of traces of SDS (the arrows show examples of traces of SDS).
  • Image b) represents a layer of DWCNT after removal of traces of SDS by radio frequency plasma cleaning.
  • FIG. 6 shows the cell density of Neuro2a cells grown for different surface states of the substrate.
  • the density of Neuro2a cells (number of Neuro2a cells per mm) is indicated on the ordinate.
  • the different substrates on whose surface Neuro2a cells have been grown are indicated on the abscissa.
  • the substrates used are Si0 2 , Si0 2 whose surface is covered with a thin and continuous layer of DWCNT, and Si0 2 with DWCNT patterns.
  • the insert shows the proportion of neuronal cell differentiation on Si0 2 with DWCNT motifs.
  • the proportion of differentiated cells is higher on the DWCNT motifs than on the Si0 2 surface between the DWCNT motifs.
  • FIG. 7 represents the scanning microscopy (SEM) images of Neuro2a cells cultured on an Si0 2 substrate (letter b) with DWCNT motifs (letter a) on its surface.
  • the DWCNT patterns are micrometric width line arrays and micrometric width lines forming a right angle.
  • FIG. 8 shows the inking of a patch by incubation of a suspension of fluorescent polymer microspheres (in gray).
  • the image represents the fluorescence of the surface of the stamp after inking, we observe the microspheres in gray and we distinguish the micrometric patterns of the stamp.
  • FIG. 10 shows the optical image of the stamp.
  • the image on the right is the optical image of the patch before the deposition of the polymer microspheres.
  • the image on the left is the observation of the patch after the deposition of polymer microspheres by spraying.
  • FIG. 12 shows a PDMS stamp alignment device on electrodes.
  • Figure 13 shows DWCNT connections between gold and platinum electrodes.
  • FIG. 14 represents the comparison of the continuity of a nanotube mat at the edge of an electrode in the case of direct deposition (left) or by microcontact printing with spray inking (right).
  • FIG. 15 represents the recordings of the evolution of the resonance frequency (in ordinate) with the time (in abscissa) for two types of quartz during an immunological biosensing experiment: a quartz comprising a dense and homogeneous layer of double-walled carbon nanotubes (CNTs) on its surface, said layer being deposited by the process according to the invention, and a conventional quartz containing no no double-walled carbon nanotubes (CNTs).
  • CNTs double-walled carbon nanotubes
  • the patches consist of an inert and biocompatible microstructured elastomeric material, polydimethylsiloxane (PDMS).
  • PDMS is microstructured in a conventional manner, using a simple molding process using a silicon mold.
  • the microstructures are generated by close UV lithography (proximity UV lithography) and by deep Reactive Ion Etching (RIE).
  • RIE deep Reactive Ion Etching
  • Non-stick coating of the mold is performed using liquid phase silanization with octadecyltrichlorosilane (OTS) to allow easy release of the polymeric print after heat treatment.
  • OTS octadecyltrichlorosilane
  • the patterns used in this work are periodic gratings of straight lines of different widths and lines with an angle of 90 °.
  • DWCNTs double-walled carbon nanotubes
  • the double-walled carbon nanotubes (DWCNTs) used in this work were prepared internally by the catalytic chemical vapor deposition technique, by the decomposition of CH 4 at 1000 ° C. (mixture 3 ⁇ 4: CH 4 at atmospheric pressure) (E. Flahaut et al., Chem., Pp. 1442-1443, 2003). After removal of the catalyst (HC1), the sample contains approximately 80% of double-walled carbon nanotubes, the remainder being mainly single wall (about 15%) and triple-walled carbon nanotubes.
  • the high proportion of metallic carbon nanotubes may have certain advantages for tissue engineering of neurons that may, for example, allow electrical stimulation thereafter.
  • DWCNT double-walled carbon nanotubes
  • SDS sodium dodecyl sulfate
  • the mixture is sonicated for 30 minutes (Sonics Vibra Cell) at a power of 150W, under cooling in an ice bath.
  • the mixture then appears as a black stable suspension which is again dispersed in ultrapure water and purified by centrifugation (16,000 rpm for 30 minutes).
  • the colloidal suspension of DWCNT is then sprayed for five minutes on the surface of the PDMS, using a manual spray device.
  • the distance between the PDMS surface and the spray nozzle is 20cm.
  • the hydrophilic nature of the PDMS surface allowed a good spread of the ejected droplets resulting in a homogeneous dense layer of double-walled carbon nanotubes on the polymer surface as shown in FIG. 1.
  • the patch is brought into contact with the surface of a Si0 2 substrate.
  • DWCNT double-walled carbon nanotubes
  • a drop of ethanol is placed on the Si0 2 substrate.
  • the drop of ethanol spreads and forms a thin film on the entire surface.
  • the PDMS patch is then brought into contact with the wetted surface of Si0 2 .
  • the assembly was placed in an oven at 100 ° C for 30 minutes.
  • the patch is then removed and double-walled carbon nanotube patterns are formed on the SiO 2 surface, as shown in Figure 2 which summarizes the principle of DWCNT pattern formation methodology on the surface of a substrate. in Si0 2 .
  • Figure 3 shows the carbon nanotube patterns thus generated.
  • Figure 4 is an image of a zone comprising a pattern of carbon nanotubes obtained by atomic microscopy. The corresponding profile is drawn and shows that the layer of nanotubes deposited by the method of the invention has a height of the order of a few tens of nanometers.
  • DWCNT double-walled carbon nanotubes
  • SDS sodium dodecyl sulfate
  • the DWCNT nanotubes and the surfactant are therefore co-deposited during the spraying.
  • L. Dong et al. L. Dong, KL, Joseph, Witkowski, C., Craig, Nanotechnology, 2008, 19, 255702 have shown that SDS can be toxic to cells. Thus, it is particularly important to be able to remove traces of SDS from the substrates before proceeding to cell culture.
  • Neuro2a mouse neuroblastoma cells were cultured in DMEM supplemented with 10% fetal bovine serum (PAA Laboratories) and streptomycin 1% penicillin (GIBCO) in Petri dishes (Falcon).
  • the cells were subcultivated twice a week, and maintained at 37 ° C and 5% C0 2 .
  • Neuro2a cells were seeded on substrates at a density of 1.2 x 10 4 cells / cm 2 . The cells were incubated for 24 hours and then differentiated by substituting the DMEM medium with a prewarmed DMEM containing 0.1% BSA (serum-bovine serum albumin, Euromedex) BSA.
  • BSA serum-bovine serum albumin, Euromedex
  • the cells were then maintained at 37 ° C for 48 hours before being fixed with 3.5% paraformaldehyde (Sigma) for characterization.
  • SEM Scanning electron microscopy
  • EXAMPLE 2 Creation of Connections for Nanoelectronics: a- Preparation of the PDMS Stamp
  • the patches consist of an inert and biocompatible microstructured elastomeric material, polydimethylsiloxane (PDMS).
  • PDMS is microstructured in a conventional manner, using a simple molding process on a previously microstructured silicon substrate.
  • the microstructures are generated on the silicon mold by proximity UV photolithography (proximity UV lithography in English) and by Deep Reactive Ion Etching (DRIE).
  • DRIE Deep Reactive Ion Etching
  • Non-stick treatment of the mold is carried out by silanization in the liquid phase with octadecyltrichlorosilane (OTS), in order to allow easy demolding of the polymeric impression, after the heat treatment.
  • OTS octadecyltrichlorosilane
  • Sylgard 184 pre-polymer PDMS solution (marketed by Dow Corning) containing a mixture of PDMS oligomers and a Sylgard 184 crosslinking agent (in a 10: 1 mass ratio, Dow Corning) is dispensed. in a system which makes it possible to obtain stamps of homogeneous and controlled thickness and heat-treated at 80 ° C. for 3 hours to carry out the crosslinking of the elastomer. 2cm x 2cm glass slides are applied to the PDMS before crosslinking to mechanically prevent any phenomenon of shrinkage of the patch.
  • the patterns used in this work are designed to connect electrodes previously created on the substrate and whose realization is detailed in step d.
  • Moiré optical alignment patterns (complementary to those inscribed on the substrate) are also present on the surface of the stamp.
  • This type of stamp makes it possible to deposit nano-objects according to reasons that it is possible to align with pre-existing patterns on the surface of the sample. This capability is critical for applications targeting the nanoelectronics industry.
  • the double-walled carbon nanotubes (DWCNT) carbon nanochannels used in this work were prepared internally by the chemical vapor deposition technique, by the decomposition of CH 4 at 1000 ° C. (mixture H 2 : CH 4 at atmospheric pressure) (Flahaut et al., ChemChem, pp. 1442-1443, 2003). After removal of the catalyst (HC1), the sample contains approximately 80% of double-walled carbon nanotubes, the remainder being mainly single wall (about 15%) and triple-walled carbon nanotubes.
  • a surfactant is used.
  • Purified double-walled carbon nanotubes (DWCNT) and sodium dodecyl sulfate (SDS) are mixed with ultrapure water with a 1: 10 mass ratio (DWCNT: 0.1%, SDS: 1%) .
  • the mixture is ultrasonically dispersed for 30 minutes (Sonics Vibra Cell) at a power of 150W, cooling in an ice bath.
  • the mixture then appears as a black stable suspension which can be diluted in ultrapure water and purified by centrifugation (16,000 rpm centrifugation for 30 minutes).
  • c- Inking of the PDMS patch by spraying the solution of double-walled carbon nanotubes (DWCNT)
  • the colloidal suspension of DWCNT is then sprayed for five minutes on the surface of the PDMS, using a manual spray device.
  • the distance between the PDMS surface and the spray nozzle is 20cm.
  • the hydrophilic nature of the PDMS surface allowed a good spread of the ejected droplets resulting in a homogeneous dense layer of double-walled carbon nanotubes on the polymer surface as shown in Figure 1.
  • d- Preparation of the microelectrodes Pairs of electrodes consisting of two contacts 50 ⁇ 2 at their ends and measuring 125 ⁇ long and 25 ⁇ wide and spaced distances ranging from 2 to 50 ⁇ are drawn in chrome on glass in order to achieve a photolithography mask.
  • a silicon wafer is thermally oxidized to obtain an insulating layer of silicon oxide of 300 nm thickness.
  • a photosensitive resin is deposited and selectively insolated through the mask having the pattern of the electrodes. The uninsulated resin is dissolved.
  • a photolithography protocol conventionally used in microelectronics is used during these steps.
  • a deposit of titanium then gold (or platinum) of respective thicknesses of 10 nm and 100 nm is performed.
  • a "lift-off" process is performed to obtain the desired plane electrodes.
  • Moiré type alignment marks are also present on the mask design.
  • the hydrophilic surface patch in PDMS is placed opposite the substrate at a distance of 20 ⁇ at 100 ⁇ .
  • the silicon wafer is placed on a plateau whose movement is controlled (Karl Suss Pa200 station). Temperature control of the substrate is also possible.
  • the PDMS patch is aligned with the electrodes using a microscope located above the system. Alignment following complementary Moiré patterns allows submicron accuracy using a single lens.
  • Figure 12 is a representation of the aforementioned alignment device. f- Pattern formation with double-walled carbon nanotubes (DWCNT) using micro-contact printing
  • the patch is brought into contact with the silicon wafer equipped with electrodes.
  • DWCNT double-walled carbon nanotubes
  • a drop of ethanol is placed on the wafer.
  • the drop of ethanol spreads and forms a thin film on the entire surface.
  • the PDMS patch is then brought into contact with the surface and the electrodes.
  • the temperature of the substrate is then raised to 100 ° C for 30 min.
  • the stamp is then removed and patterns of carbon nanotubes double wall are formed between the electrodes.
  • Figure 13 shows DWCNT connections between gold and platinum electrodes, made according to the method of the invention.
  • nanotube connections can then be used as detection devices (gas, chemical species, radiation, etc.) or for applications as connections.
  • This technique makes it possible to obtain a homogeneous, dense and continuous microstructured layer (see FIG. 14), bringing significant improvements compared to the state of the art.
  • the micro-objects used in this work are polymer microspheres of diameter ( ⁇ (Fluoro-max, Thermoscientific). These microspheres are fluorescent for an excitation wavelength around 504 nm.
  • the suspension is used as is, at 1% solid volume.
  • the hydrophilic surface patches used are PDMS (Sylgard 184) and comprise patterns at least one of which is micrometric.
  • the colloidal suspension of microspheres is vortexed for 45 seconds.
  • a drop of 800 ⁇ is then directly deposited using a micropipette on the surface of the patch comprising the micropods. This drop is left in contact with the surface for 5 minutes and then removed with a micropipette.
  • the surface of the patch is then dried with a continuous stream of nitrogen for 30 seconds.
  • the surface of the patch after inking by incubation is observed under a fluorescence optical microscope. An example of observation is shown in Figure 8.
  • Figure 8 shows that the inking of the patch is not homogeneous: there are areas where the microspheres have accumulated and large areas without microspheres.
  • a drop of ⁇ ⁇ of deionized water is deposited on the glass slide to improve the transfer of the microspheres onto the glass slide.
  • having received the deposition of microspheres by incubation is brought into contact with the wet glass slide directly after contact, the assembly "glass-stamp slide" is placed in an oven at 100 ° C for 3 minutes.
  • the inking of the patch is homogeneous, there are no areas without microspheres.
  • the transfer protocol is identical to that described in paragraph A, 2.
  • a drop of ⁇ of deionized water was deposited on the glass slide in order to improve the transfer of the microspheres on the glass slide.
  • the surface of The patch which has received the microsphere deposit by incubation, is brought into contact with the wet glass slide and, immediately after the contact, the "glass-cover slide" assembly is placed in an oven at 100 ° C. for 3 minutes. minutes.
  • the transfer of the stamp to the glass slide is faithful to the geometry of the stamp.
  • the deposit thus produced makes it possible to obtain micrometric patterns (here between 20 ⁇ and several hundred ⁇ ) of micrometric objects.
  • double-walled carbon nanotube (CNT) patterns are formed on the active area of a biosensor. This improves the sensitivity of the biosensor, that is to say to reduce its detection limit by more than an order of magnitude.
  • the biosensor used in this example is a particular mechanical biosensor: the quartz microbalance, widely used to detect specific interactions between biomolecules. a- Principle of detection of quartz microbalance
  • Quartz microbalance is a measurement system that quantitatively detects an adsorbed mass on a surface. Mass addition detection is achieved by a quartz piezoelectric crystal (called "quartz"). The surface of this quartz constitutes the active zone of this detector. In practice, the quartz is placed in a fluid chamber, in which a fluid containing the elements that it is desired to detect is passed through. An alternative potential difference is applied to quartz, in order to maintain it in mechanical vibration mode. The adsorption of the element that one wishes to detect on the quartz surface induces a mass variation (Am) on the quartz surface. This results in a variation of the quartz resonance frequency ( ⁇ ⁇ ), measured in real time.
  • quartz piezoelectric crystal called "quartz"
  • Am mass variation
  • the patterns of double-walled carbon nanotubes are formed on the surface of the quartz, according to the process of the invention as described in Example 1.
  • the transfer of the CNTs is here carried out on the active surface of the quartz system. detection: this is the surface of the piezoelectric quartz in the case of the QCM biosensor.
  • the quartz does not have double-walled carbon nanotubes (CNTs) on its surface, the frequency remains constant over time.
  • the biosensor without NTC detects no adsorbed mass, because the concentration of probe molecules in the solution is too low and therefore below the limit of detection.
  • the rinsing step has no effect on the frequency, which means that the probe antibodies were well adsorbed.
  • NTCs can thus serve as a "sponge" for the entities to be detected.
  • NTCs patterns act in two ways:
  • NTC motifs can be used to improve the sensitivity of biosensors and biochips significantly compared to the state of the art.
  • Example 3 establishes the advantage of ink stamping inks which surpasses the state of the art based on incubation. Indeed, this example shows that:
  • the inking of the stamp by spraying is homogeneous and that there are no zones devoid of microspheres; the transfer of the microspheres from the stamp to the glass coverslip is also homogeneous and faithful to the geometry of the patch.
  • Examples 1, 2 and 4 show that the present invention can be advantageously used in the field of biosensing and tissue engineering (controlled culture of neuronal cells on carbon nanotube patterns), as well as in the field of nanoelectronics (manufacture of electronic interconnections by direct printing).

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Abstract

La présente invention concerne un procédé de formation de motifs d'objets sur la surface d'un substrat. La présente invention concerne également l'utilisation du procédé selon l'invention, dans le domaine de la microélectronique ainsi qu'en ingénierie tissulaire ou pour la fabrication de support de culture de cellules ainsi que pour fonctionnaliser la surface des biocapteurs.

Description

PROCEDE DE FORMATION DE MOTIFS D'OBJETS
SUR LA SURFACE D'UN SUBSTRAT
La présente invention concerne un procédé de formation de motifs d'objets sur la surface d'un substrat.
La présente invention concerne également l'utilisation du procédé selon l'invention, dans le domaine de la microélectronique ainsi qu'en ingénierie tissulaire ou pour la fabrication de support de culture de cellules ainsi que pour fonctionnaliser la surface des biocapteurs.
La formation de motifs sur des surfaces, par des objets, est devenue une étape cruciale pour la fabrication des micro et nanosystèmes destinés à des études ou des applications en électronique ou en biologie. Longtemps cantonnée à une réalisation ée « pleine plaque » affectant de manière uniforme l'ensemble d'un substrat, cette opération doit être dorénavant combinée avec une localisation spatiale précise des motifs sur cette surface. Il s'agit donc de réaliser des motifs précis avec des objets fonctionnels précis ayant, le cas échéant, des propriétés remarquables, par exemple, en termes de réactivité, de conductivité thermique, de charge surfacique, de biocompatibilité, d'activité biologique, de propriétés optiques (fluorescence par exemple), etc.
Habituellement, les protocoles pour réaliser des dépôts d'objets d'intérêt à la surface d'un substrat comportent des étapes de fonctionnalisations spécifiques de ladite surface pour permettre une adsorption sélective des objets en fonction de l'affinité de ces derniers avec ladite surface du substrat. Le substrat doit alors subir une modification chimique de sa surface puis être mis en contact avec la suspension d'objets. Des problèmes d' adsorption non spécifique et de contrôle de la concentration en objets sur le substrat limitent énormément cette méthode (A. Cerf et al., Colloids and Surfaces B : Biointerfaces 65, pp. 285-291 , 2008).
L'utilisation de la lithographie optique conventionnelle pour la formation de motifs d'objets d'intérêt sur des surfaces est possible mais s'avère, dans bien des cas, inappropriée en raison de l'incompatibilité des objets d'intérêt avec la technique et la nature agressive des procédés de photolithographie (solvants organiques dénaturants, développeurs, etc. (Marc Madou, Fundamentals of Microfabrication : The Science of Miniaturization, paru en janvier 2001, éditeur : CRC Press). Par exemple, obtenir des motifs de protéines par photolithographie est impossible car lors de l'insolation UV, les protéines sont détruites. De plus, cette technique est coûteuse.
La lithographie douce, et plus précisément l'impression par micro-contact (Micro-Contact Printing en anglais ou μΟΡ), offre une alternative de choix aux méthodes précitées. La lithographie douce est une méthode qui a été décrite en 1993 par le groupe de G. Whitesides et trouve désormais de nombreuses applications en électronique organique (OLEDs), la fabrication de biopuces et de laboratoires sur puce (Kumar, Amit; Whitesides, George M., Applied Physics Letters, 63 (14), issue 14, pp. 2002-2004, 1993). Cette méthode consiste à produire des motifs à l'échelle micrométrique et submicrométrique (dont l'une au moins des dimensions est de 50 nm à 500 μηι, bornes incluses) par simple contact d'un timbre composé d'un matériau élastomère, le plus souvent du polydiméthylsiloxane (PDMS), avec la surface d'un substrat. Ce timbre, obtenu par moulage sur un support original en silicium à partir duquel des copies sont réalisées (appelé également moule ou master en anglais), peut contenir des motifs de géométrie quelconque. La plus petite dimension des motifs pouvant être réalisés par ce timbre est de 50 nm. Dans cette méthode, les objets d'intérêt sont d'abord mis en suspension ou en solution s'ils sont solubles, puis déposées sur le timbre (étape d'encrage), et enfin transférées à partir dudit timbre sur la surface d'un substrat par contact (étape d'impression). Ainsi, lors de l'étape d'impression, les motifs ou structures du timbre entrent en contact avec la surface du substrat et déposent sur celle-ci, les objets d'intérêt, préalablement imprégnées sur le timbre. Ainsi, le transfert des molécules se fait suivant des motifs parfaitement contrôlés.
La lithographie douce, et plus particulièrement l'impression par micro- contact ^CP), est donc très adaptée aux problématiques nouvelles des nanosciences et nanotechnologies, car elle permet :
- d'obtenir des motifs de dimension nanométrique (la plus petite dimension des motifs réalisables mesure 50 nm),
- d'éviter tout contact entre les objets d'intérêt, avec des rayonnements ionisants ou des bains agressifs dans des solvants dénaturants (Marc Madou, Fundamentals of
Microfabrication '. The Science of Miniaturization, paru en janvier 2001, éditeur : CRC Press), - de traiter, à bas coût, des surfaces de substrat d'au moins 2 cm2,
- de générer des motifs « multiplexés », c'est-à-dire constitués de plusieurs entités différentes,
- de créer des gradients moléculaires de surface, c'est-à-dire de faire varier de manière contrôlée la densité en molécules déposées (T. Kraus et al., Langmuir, 21, pp.7796- 7804, 2005).
Dans tous les procédés de lithographie douce, et plus précisément d'impression par micro-contact ^CP) connus, le dépôt de l'encre, qui comprend les objets d'intérêt, sur le timbre (étape encrage) est effectué par incubation ou par trempage de ladite encre sur le timbre.
Ainsi, C. Thibault et al. (Journal of Nanobiotechnology, 2005, 3 : 7, pages 1- 12) enseignent que le procédé d'impression par micro-contact (μΟΡ) peut être utilisé pour imprimer directement des oligonucléotides sur la surface d'un substrat en verre, et donc être utilisé pour la fabrication de biopuces destinées à identifier des mutations génétiques. Dans ce procédé, F encrage du timbre est effectué par incubation en déposant une goutte de solution d'oligonucléotides sur ledit timbre.
Lalo et al. (Microelectronic Engineering, 2009, 86, pages 1428-1430) et la demande de brevet français FR 2921002 décrivent un procédé de dépôt simultané de différents matériaux (des matériaux biologiques, des biomolécules etc.) en une seule étape en utilisant un macrotimbre en PDMS. Le dépôt des solutions comprenant les différents matériaux est réalisé par une opération de trempage simultanée du timbre dans une plaque à puits remplie avec lesdites solutions. Après séchage, lesdits matériaux sont transférés sur la surface du substrat en reproduisant les motifs présents sur le timbre.
WO 2009/052120 décrit des compositions de nanoparticules métalliques de Ti, Ta, Nb, Fe, Cu, Ru, Mo, Ni, Co, Pt, Ag, Au, Pd en suspension dans l'eau et un solvant organique miscible à l'eau comme le glycérol, l'éthylène glycoi etc., et leur dépôt sur un timbre par trempage pour les transférer sur un substrat par une impression par microcontact.
En dépit de son utilisation répandue, la technique d'encrage par incubation ou par trempage peut présenter certains inconvénients. En effet, l'encrage du timbre par incubation ou par trempage nécessite, en général, des quantités importantes de suspensions d'objets d'intérêt. De plus, lors de l'incubation ou du trempage, le timbre est en contact direct et prolongé avec le solvant, ce qui peut entraîner la déformation ou l'attaque de ce dernier. Ceci est particulièrement le cas lorsque les timbres employés sont en PDMS et que le solvant est un solvant tel que l'éthanol, le THF, etc. Par ailleurs, lorsque les objets d'intérêt à déposer sont de dimensions nanométriques, la technique d'incubation ou de trempage ne permet pas toujours de déposer une couche de densité et/ou d'homogénéité satisfaisante sur le timbre et, par la suite, sur le substrat à l'issue de l'étape d'impression.
La demande US 2008/233489 décrit un procédé de formation de motifs de matériau fonctionnels sur la surface d'un substrat. A cet effet, un premier matériau de modification de surface est appliqué à la surface du timbre avant l'application d'un second matériau fonctionnel. Le matériau de modification de surface du timbre est choisi parmi les composé amphiphiles, les électrolytes, les matériaux biologiquement actifs, les polymères (méth)acryliques, les polymères vinyliques, les copolymères de polymères vinyliques et (méth)acryliques, ou des (co)polymères conjugués aromatiques. Dans ce procédé, la présence dudit matériau de modification à la surface du timbre, préalablement à l'application du matériau fonctionnel, est essentielle car il a pour but de permettre notamment un meilleur mouillage de la surface du timbre et donc une impression uniforme de motifs sur le substrat, et d'empêcher une réaction chimique entre le timbre et, par exemple, le matériau fonctionnel. Cette étape de modification de surface par dépôt d'une couche de matériau préalablement à l'étape de l'encrage du timbre, s'ajoute à l'ensemble des opérations du procédé d'impression, ce qui rend la mise en œuvre de ce procédé plus complexe et moins économique sur le plan industriel. Par ailleurs, la mise en œuvre de matériaux de modification de surface est susceptible de causer de sérieux problèmes de contamination de substrat lors de l'étape d'impression. De plus, la présence du matériau de modification à la surface du timbre ne garantit pas la non pénétration du solvant au sein (à l'intérieur) du timbre et donc les possibles inconvénients de gonflement du timbre dans certains cas.
Ainsi, il existe un réel besoin d'un procédé d'encrage du timbre pouvant pallier les inconvénients de l'art antérieur et qui puisse être utilisé en lithographie douce, notamment en impression par micro-contact, permettant d'améliorer significativement son efficacité. En particulier, il existe un réel besoin d'un procédé d'encrage, qui puisse être utilisé en lithographie douce, notamment en impression par micro-contact, qui ne nécessite pas l'utilisation de grandes quantités de suspensions d'objets d'intérêt et qui évite un contact direct et prolongé du timbre avec un solvant.
Plus particulièrement, il existe un réel besoin d'un procédé d'encrage, qui puisse être utilisé en lithographie douce, notamment en impression par micro-contact, qui évite l'étape supplémentaire de dépôt d'un matériau de modification de surface dans le but d'améliorer les propriétés de surface du timbre, et qui permette de former, après impression, des motifs sous forme de couches d'objets homogènes, denses et structurées, l'une au moins des dimensions desdits motifs étant comprise entre 50 nm et 500 μηι, bornes incluses.
Encore plus particulièrement, il existe un réel besoin d'un procédé d'encrage, qui puisse être utilisé en lithographie douce, notamment en impression par microcontact, et qui soit simple, reproductible et économiquement intéressant.
La présente invention a précisément pour but de répondre à ces besoins en fournissant un procédé de formation de motifs d'objets sur la surface d'un substrat, par lithographie douce, en particulier par l'impression par micro-contact (μΰΡ), caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :
a) dépôt, par pulvérisation, d'objets en suspension colloïdale dans un solvant ou un mélange de solvants, à la surface d'un timbre rendue hydrophile par un traitement physique,
b) transfert des objets de la surface dudit timbre vers la surface du substrat par mise en contact dudit timbre avec la surface dudit substrat.
Des motifs précis, avec des objets précis, ayant des propriétés remarquables, par exemple en termes de réactivité, de conductivité thermique, de charge surfacique, de biocompatibilité, d'activité biologique, de propriétés optiques (fluorescence par exemple) etc., peuvent ainsi être réalisés sur un substrat avec le procédé de l'invention.
De plus, le dépôt d'objets en suspension colloïdale sur le timbre par pulvérisation, conduit, après l'étape de transfert b), à l'obtention de couches homogènes et denses de motifs d'objets à la surface du substrat.
Au sens de l'invention, une couche est considérée comme : - dense, lorsqu'elle ne présente pas de lacunes d'objets dans les motifs formés à la surface du substrat, visibles par l'observation au microscope électronique à balayage ou à force atomique ;
- homogène, lorsque la densité et l'épaisseur des motifs déposés sont du même ordre de grandeur et constantes sur l'ensemble de la surface traitée.
Dans le cadre de la présente invention, par suspension colloïdale, on entend une suspension ou dispersion de deux phases distinctes : un milieu de dispersion (un solvant ou un mélange de solvants) et une phase dispersée (les objets). La suspension est stable ce qui signifie qu'elle ne sédimente pas ; elle est homogène, c'est-à-dire qu'elle est formée d'objets dont l'une au moins des dimensions va de quelques nanomètres à quelques centaines de nanomètres, par exemple de 2 à 200 nanomètres, bornes incluses. Lesdits objets ne sont pas visibles à l'œil nu ou au microscope optique. Ils peuvent cependant être mis en évidence à l'aide d'un microscope électronique, ou en champ proche (AFM) par exemple.
Dans le cadre de la présente invention, les termes « taille » et « dimension » d'un objet ou d'un motif peuvent être utilisés de façon interchangeable pour désigner la longueur, la largeur, le diamètre, la profondeur et/ou l'épaisseur dudit objet ou dudit motif. Il est à noter que lorsque l'expression « la plus petite dimension » est utilisée pour un objet ou un motif uni-dimensionnel du type nanotube, nanofibres ou nanofils, cette expression se rapportera, en général, au diamètre dudit objet ou dudit motif. Dans le cas d'un motif ou d'un objet sous forme d'une couche ou d'un feuillet, l'expression « la plus petite dimension » correspondra, en général, à l'épaisseur dudit objet ou dudit motif.
Les objets que l'on souhaite déposer, sont donc introduits dans un solvant ou mélange de solvant(s) pour former une suspension colloïdale au sens de l'invention, selon les techniques et procédés connus de l'homme du métier.
Dans la suite de l'exposé, les termes « objet » ou « nano-objets » désigneront, au sens large, tout objet ou toute molécule, synthétique ou naturel(Ie), dont l'une au moins des dimensions est de l'ordre du nanomètre (par exemple entre 1 et 100 nm, bornes incluses). Ainsi, ces termes, qui peuvent être utilisés de manière interchangeable, peuvent couvrir à la fois, par exemple, des microorganismes, des brins d'ADN, des oxydes métalliques et des nanotubes de carbone (qui, bien qu'ayant un diamètre de quelques nanomètres, peuvent atteindre une longueur de l'ordre du millimètre).
De préférence, dans le procédé de l'invention, les objets peuvent être choisis dans le groupe constitué par :
- des nano-objets de carbone, comme par exemple les nanotubes de carbone, les fullerènes, les nanofibres de carbone, les nanoparticules de carbone, le graphène,
- des nanoparticules et/ou nanofïls de métal comme par exemple l'or (Au), le platine (Pt), le nickel (Ni) et leurs oxydes ; de semi-conducteur comme par exemple le silicium (Si), le phosphure d'indium (InP), le nitrure de gallium (GaN); d'oxydes métalliques comme par exemple le Ti02, le ZnO,
- des objets biologiques choisis parmi l'ADN, les cellules, les microorganismes, les bactéries, les protéines, les anticorps, les virus.
La suspension de l'étape a) peut comprendre un ou un mélange de plusieurs types d'objets.
Les suspensions colloïdales d'objets peuvent être formées dans un solvant ou un mélange de solvants.
Le ou les solvant(s) choisi(s) doi(ven)t être compatible(s) avec les objets c'est-à-dire qu'il ne faut pas qu'il y ait d'interaction chimique entre le(s) solvant(s) et lesdits objets. Le ou les solvant(s) choisi(s) doi(ven)t également avoir une bonne capacité à mouiller la surface du timbre afin de permettre un dépôt homogène des objets sur ladite surface.
Le solvant est avantageusement un solvant ayant une température d'ébullition d'au plus 150°C, de préférence choisi parmi l'eau, le méthanol, l'éthanol, le propanol, l'isopropanol, le n-butanol, l'éther éthylique, le THF, le chloroforme, le DMSO, le toluène, le dichlorométhane, l'acétone, l'hexane, le milieu de culture lorsque les objets sont biologiques, et/ou le mélange d'au moins deux de ceux-ci.
Lorsque les objets sont des nano-objets de carbone, notamment des nanotubes de carbone, ou des nanoparticules et/ou nanofïls de métaux, de semiconducteurs ou d'oxydes métalliques, la concentration en objets dans la suspension à l'étape a) peut être comprise entre 0,01 et 1 mg/ml, avantageusement entre 0,05 et 0,7 mg/ml, plus avantageusement entre 0,1 et 0,5 mg/ml, bornes incluses. Cette concentration peut être différente, notamment lorsqu'il s'agit de molécules biologiques telle que décrites précédemment.
La suspension colloïdale d'objets à l'étape a), notamment lorsque les objets sont des nano-objets de carbone ou des nanoparticules et/ou nanof ls de métaux, de semi-conducteurs ou d'oxydes métalliques, peut, en outre, comprendre un agent de surface ou tensio-actif pour faciliter la mise en suspension des objets et améliorer la stabilité de ladite suspension. Le choix du tensio-actif dépend du type d'objets, de sa solubilité et du solvant utilisé. A titre indicatif, on peut citer, plus particulièrement, des tensioactifs anioniques ayant une tendance hydrophile et une balance Hydrophile/Lipophile (HLB) allant de 8 à 18. Parmi ce type de tensioactifs, on peut citer, par exemple, le laurylsulfate de sodium ou dodécylsulfate de sodium (SDS), laurylsulfate de triéthanolamine, dioctylsufosuccinate de sodium, le dodécyîbenzène sulfonate de sodium, le triton, le bromure d'hexadécyltriméthylammonium. Pour les applications biologiques, on peut citer plus particulièrement, le carboxyméthylcellulose (CMC), le cholate de sodium, le désoxycholate de sodium. Dans ce cas, le tensioactif est avantageusement dissous dans le solvant ou le mélange de solvants le cas échéant, avant l'introduction des objets.
Lorsque cela s'avère nécessaire, la suspension colloïdale d'objets à l'étape a) peut être homogénéisée, par exemple, par un traitement aux ultrasons ou une agitation mécanique en utilisant des homogénéiseurs (ultraturrax par exemple), vortex, des barreaux aimantés ou tout autre système d'agitation mécanique. En fonction du type de nano-objets, l'homme du métier est en mesure de choisir le moyen d'homogénéisation le plus adapté.
Ainsi, le procédé de l'invention peut comprendre, de plus, avant l'étape a), une étape de préparation de la suspension colloïdale d'objets selon les techniques et procédés connus de l'homme du métier.
Lorsque la suspension est réalisée, le dépôt peut débuter.
Le dépôt d'objets sur le timbre dont la surface est rendue hydrophile par un traitement physique, à l'étape a), se fait alors par pulvérisation.
On entend par pulvérisation, une technique de dépôt qui consiste à projeter sur un substrat au moyen d'un gaz ou d'un mélange d'au moins deux gaz comprimé(s), de fines gouttelettes, par exemple, d'une suspension colloïdale d'objets selon l'invention, qui vont ensuite se déposer sur ledit substrat pour former une couche mince desdits objets.
Par couche mince, on entend une couche dont l'épaisseur est du même ordre de grandeur que la plus petite dimension des objets.
Le dépôt d'objets sur le timbre par pulvérisation présente plusieurs avantages.
La pulvérisation est simple et rapide à réaliser. Elle ne nécessite pas d'équipement lourd ni onéreux. Elle permet de réaliser des motifs denses, homogènes et de tailles contrôlées, dont l'une au moins des dimensions est comprise entre 50 nm et 500 μιη, bornes incluses, avec des objets tels que les nanoparticules, les microparticules, les micro-organismes, les bactéries, les nanofils, qui, jusqu'à lors, ne pouvaient pas être déposés par les procédés d'encrage conventionnels (incubation ou trempage), sur un substrat non fonctionnalisé au préalable.
D'une manière générale, la pulvérisation est compatible avec un grand nombre de solvants et permet de déposer une large gamme d'objets, qu'il s'agisse d'objets tels que ceux précités, d'autres entités biologiques ou de toutes autres molécules. Par ailleurs, le dépôt effectué par pulvérisation ne modifie pas la topographie du timbre et n'est également pas affecté par celle-ci.
La pulvérisation peut être effectuée au moyen de tous types de dispositifs de pulvérisation connus, de manière manuelle ou automatisée. Afin de procéder à l'étape de pulvérisation, la suspension colloïdale de l'étape a) est introduite dans le réservoir d'un dispositif de pulvérisation. La surface du timbre est ensuite balayée.
La pulvérisation est effectuée directement sur la surface du timbre sans modification préalable de la surface du timbre, notamment par dépôt chimique et/ou physique d'un matériau. Cependant, la surface du timbre sur laquelle la pulvérisation est effectuée est rendue hydrophile par un traitement physique, de préférence lors de la fabrication dudit timbre. Par exemple, dans le cas du dépôt de nano-objets de carbone notamment de nanotubes de carbone sur un timbre en PDMS, ledit timbre est traité, lors de sa fabrication et donc préalablement au dépôt des nanotubes de carbone, par un plasma oxydant afin de rendre sa surface plus hydrophile.
D'une manière générale, en intervenant sur différents paramètres fonctionnels tels que la concentration de la suspension d'objets, la distance source- échantillon correspondant à la distance buse-timbre, le diamètre de la buse, la durée de dépôt, la pression de pulvérisation, les paramètres environnementaux (température, hygrométrie, etc.), les caractéristiques de la couche d'objets en termes de qualité de dépôt, de densité et d'épaisseur, peuvent être modulées. Par ailleurs, une optimisation des paramètres fonctionnels permettra l'évaporation rapide du ou des solvant(s) de la suspension colloïdale.
La pulvérisation est avantageusement effectuée au moyen d'une buse de pulvérisation de diamètre compris entre 100 et 500 μηι, de préférence entre 200 et 400 μηι, bornes incluses.
La pression de poussée lors de la pulvérisation peut dépendre du dispositif de pulvérisation mis en œuvre. La pulvérisation peut, par exemple, être effectuée avec une pression de poussée comprise entre 1 et 20 bar, de préférence entre 1 et 10 bar, et plus préférentiellement encore entre 3 et 7 bar, bornes incluses.
Au sens de l'invention, par « pression de poussée », on entend la pression nécessaire pour projeter de fines gouttelettes de suspension colloïdale d'objets sur un substrat, la surface d'un timbre par exemple.
La pression de poussée de la pulvérisation est obtenue avec un gaz ou un mélange de gaz choisi(s) parmi l'azote, l'air (mélange de gaz comprenant au moins 78% de N2 et 20% de 02).
La pulvérisation peut être effectuée à une température comprise entre 15 et 100°C, bornes incluses. De préférence, la pulvérisation est effectuée à une température comprise entre 20 et 30 °C, bornes incluses.
La distance source-échantillon, qui correspond à la distance entre la buse de pulvérisation et la surface du timbre, peut être par exemple au moins 10 cm, de préférence de 15 à 45 cm, plus préférentiellement encore de 20 à 30 cm, bornes incluses.
La durée de pulvérisation peut être de 1 seconde à 10 minutes, de préférence de 5 secondes à 7 minutes, bornes incluses.
Il est à noter que les différents paramètres de pulvérisations (température, distance source échantillon, durée, concentration de la suspension) sont liés et interdépendants et peuvent, en outre, dépendre du dispositif de pulvérisation mis en œuvre. Comme déjà indiqué, les paramètres environnementaux comme la température et/ou le taux d'humidité (hygrométrie) ont également leur importance et peuvent affecter la pulvérisation et donc la qualité de dépôt effectué à la surface du timbre et subséquemment la qualité de l'impression. De préférence, la pulvérisation est effectuée dans un environnement stable, par exemple lorsque la température à l'extérieur du pulvérisateur est comprise entre 15 et 25°C, bornes incluses, et/ou le taux d'humidité est compris entre 20 et 40%, bornes incluses.
Les paramètres de pulvérisation peuvent être adaptés en fonction de la nature de la suspension colloïdale à pulvériser, de la nature de la surface qui reçoit le dépôt et des caractéristiques de dépôt souhaitées. L'ajustement de la distance buse-timbre, du diamètre de la buse et de la température permet le dépôt des objets sur le timbre et l'évaporation rapide du ou des solvant(s) de la suspension colloïdale comprenant lesdits objets. Ainsi, le contact prolongé entre le timbre et le ou les solvants de la suspension colloïdale est évité.
Contrairement à l'incubation ou le trempage, la pulvérisation ne nécessite pas de quantité importante de suspension d'objets pour couvrir rapidement de grandes surfaces (quelques millilitres de suspension comme, par exemple, 1 millilitre pour quelques centimètres carrés comme, par exemple, 2 cm2). Comme déjà indiqué, la pulvérisation évite une mise en contact prolongée du timbre avec le solvant de la suspension colloïdale d'objets, du fait que le(s) solvant(s) s'évapore(nt) lors du trajet buse-substrat. Par ailleurs, de nombreux solvants et objets sont compatibles avec le procédé de pulvérisation.
La qualité des motifs finaux sur le substrat s'avère dépendante de la qualité de l'encrage et par conséquent, de l'étape de pulvérisation. Comme déjà indiqué, la technique d'encrage par pulvérisation selon la présente invention, permet un dépôt homogène et dense de nano-objets sur de grandes surfaces, par exemple comprise entre 1 mm et 314 cm , et ce sans problème d'adsorption non spécifique, c'est-à-dire sans dépôt en dehors des motifs définis.
D'autre part, le dépôt par pulvérisation permet de réaliser des motifs dont l'une au moins des dimensions latérales (en effet l'épaisseur de ces motifs peut être proche du nanomètre) est micrométrique voire submicrométrique, avantageusement par impression micro -contact, des objets qui ne peuvent pas être déposés de manière dense et homogène par incubation ou par trempage.
Un autre avantage de la pulvérisation, comme technique de dépôt, est que les couches déposées sur le substrat, après impression, ont la même composition que les couches déposées sur le timbre. Il n'y a donc aucune modification physico-chimique de nano-objets que ce soit au niveau de l'encrage ou de l'impression.
La surface du timbre sur laquelle la pulvérisation est effectuée, est en un matériau choisi parmi le polydiméthylsiloxane (PDMS), le polyméthylméthacrylate (PMMA), les polyuréthanes, les polyépoxydes, les polyimides. Cette surface est, de préférence en polydiméthoxysilane (PDMS). Elle peut être déposée sur un support, par exemple en verre, en silicium, en plastique.
La surface du timbre utilisé à l'étape a) est rendue hydrophile afin d'améliorer la qualité de dépôt. Par exemple, comme déjà indiqué, dans le cas du dépôt de nano-objets de carbone notamment de nanotubes de carbone sur un timbre en PDMS, ledit timbre est traité lors de sa fabrication et donc préalablement au dépôt des nanotubes de carbone, par un plasma oxydant afin de rendre sa surface plus hydrophile.
Ainsi, la surface du timbre utilisé dans l'étape a) du procédé de l'invention est rendue hydrophile par un traitement physique. Ce traitement physique peut intervenir à tout moment avant l'étape de pulvérisation. De préférence, il intervient lors de la fabrication du timbre.
Le traitement physique peut être tout traitement physique connu de l'homme du métier n'ayant pas pour but de déposer ou de greffer de molécules et/ou de matériaux à la surface du timbre. De préférence, le traitement physique est un traitement physique oxydant, par exemple, un traitement plasma oxydant (appelé également plasma oxygène) ou une ozonisation sous rayonnements ultraviolets (appelé également nettoyage UV-ozone). Ces techniques sont bien connues de l'homme du métier. L'homme du métier est en mesure de choisir les conditions de mise en œuvre optimales pour chacune de ces techniques (la puissance, la durée, la température, la pression, la fréquence, la longueur d'onde, etc.), par exemple, en fonction de la nature du matériau qui constitue la surface du timbre et le degré d'hydrophilie à atteindre. Dans le cadre de la présente invention, le caractère hydrophile de la surface du timbre est déterminé par la méthode de mesure de l'angle contact à l'eau. La mesure de l'angle de contact à l'eau rend compte de l'aptitude d'une goutte d'eau à s'étaler sur la surface du timbre, par mouillabilité. La méthode consiste à mesurer l'angle de la tangente du profil d'une goutte d'eau déposée sur le timbre, avec la surface du timbre. Plus la surface du timbre est hydrophile, plus la goutte d'eau va s'étaler et l'angle de contact sera faible. Plus la surface du timbre est hydrophobe, plus la goutte d'eau restera sphérique et l'angle de contact sera élevé.
Dans le procédé selon l'invention, le timbre présente un angle de contact inférieur à 30°, dans une expérience de mouillabilité réalisée avec une goutte d'eau pure, c'est-à-dire une eau ne contenant pas d'objets et/ou d'impuretés.
Le PDMS est un matériau particulièrement intéressant, car il est optiquement transparent à environ 300 nm, thermiquement stable jusqu'à 150°C, inerte vis-à-vis de la plupart des produits chimiques utilisés, et a des propriétés physiques souhaitables comme par exemple l'élasticité (le module d'Young de PDMS est de 2 MPa). Sa faible énergie de surface permet une libération facile des espèces adsorbées à sa surface lors de l'étape d'impression. Il a une faible dilatation thermique.
Le timbre utilisé dans le procédé de l'invention est, de préférence, un timbre en PDMS, à surface hydrophile. Ce matériau est moulé rapidement et à bas coût sur des surfaces de silicium structurées à petite échelle, c'est-à-dire des structures de dont l'une au moins des dimensions est comprise entre 50 nm et 500 μιη, bornes incluses, par des techniques de microfabrication issues de la microélectronique (« moules »). Après moulage et réticulation, le timbre en PDMS présente à sa surface des motifs topographiques, conformes à ceux existants dans le moule de silicium. La profondeur des motifs peut être comprise entre 30μηι et 50nm. La profondeur du timbre en PDMS ainsi structuré, est supérieure à l'épaisseur des objets à déposer. Cela permet donc un dépôt conforme aux micro structures du timbre de PDMS, sur la surface du substrat à l'issue de l'étape de transfert. La surface dudit timbre est rendue hydrophile, de préférence, lors de sa fabrication, par un traitement physique qui est un traitement physique oxydant, par exemple, un traitement plasma oxydant (appelé également plasma oxygène) ou une ozonisation sous rayonnements ultraviolets (appelé également nettoyage UV-Ozone). Dans le procédé de l'invention, aucun traitement chimique spécifique du timbre, notamment le dépôt d'un matériau à la surface du timbre, n'est nécessaire préalablement au dépôt par pulvérisation.
Lorsque le timbre utilisé est un timbre de surface hydrophile en PDMS, l'étape d'encrage du timbre par pulvérisation présente, en outre, l'avantage d'empêcher une éventuelle contamination du substrat par des fragments de siîoxane, qui peuvent être transférés en même temps que les objets, de la surface du timbre vers la surface du substrat lors de l'étape d'impression et donc d'affecter la qualité de l'impression. Ce phénomène de contamination du substrat par des fragments de siloxane est observé, plus particulièrement, lorsque l'étape d'encrage est effectuée par incubation ou par trempage et que la surface en PDMS du timbre est en contact direct et prolongé avec des solvants.
Après le dépôt des objets sur la surface du timbre, le timbre est mis en contact avec la surface d'un substrat. Les objets de la surface du timbre sont alors transférés vers la surface du substrat.
Les motifs d'objets sont ainsi transférés sur le substrat selon des motifs qui correspondent précisément aux motifs créés à la surface du timbre employé.
Les motifs d'objets formés sur la surface du substrat à l'issue de l'étape b), sont micrométriques voire submicrométriques, conformes à ceux du timbre, c'est-à- dire que l'une au moins des dimensions desdits motifs est comprise entre 50 nm et 500 μηι, bornes incluses.
Le substrat à la surface duquel les motifs d'objets sont formés, peut être de nature différente suivant l'application visée. Le substrat peut être choisi parmi les métaux tels que le fer, le cuivre, l'aluminium ; le silicium ; le Si02 ; le verre ; le quartz ; les polymères tels que le polyméthacrylate de méthyle (PMMA), les polyglycolides (PGA), le polyéthylène téréphtalate (PET), le polytétrafiuoroéthylène (PTFE) ; les céramiques tels que l'alumine ; le textile ; le papier.
Selon le type d'objet, le type du substrat (un substrat transparent, comme par exemple le verre ou le quartz), et lorsque l'épaisseur déposée sur le substrat ne dépasse pas 1 μπι par exemple, la transparence du substrat peut être conservée après l'étape d'impression. Dans le procédé de l'invention aucun traitement chimique ou physique de la surface du substrat n'est nécessaire, préalablement à l'étape de transfert b).
Cependant, la surface du substrat peut éventuellement être traitée afin de permettre de fixer plus fortement les objets transférés après la mise en contact dudit timbre avec la surface dudit substrat à l'issue de l'étape b), et de les maintenir sur ladite surface notamment après l'enlèvement du timbre. Dans ce but, le substrat peut éventuellement être revêtu d'une ou de plusieurs couches par exemple, d'oxydes, de métaux, d'ITO (In203,Sn02). D'autres procédés connus pour le traitement de surface, peuvent également être utilisés. A ce titre on peut citer, par exemple, les procédés décrits par JC. Cau et al. (Microelectronic Engineering 85, pp. 1143-1146, 2008).
Comme indiqué, lors de l'application du timbre, les motifs d'objets sont transférés à la surface du substrat. Dans certains cas, il peut être nécessaire d'utiliser un solvant pour faciliter l'étape de transfert. Le solvant peut être choisi parmi l'eau, le méthanol, Péthanol, le propanol, l'isopropanol, le n-butanol, l'éther éthylique, le THF, le chloroforme, le DMSO, le toluène, le dichlorométhane, l'acétone, l'hexane, le milieu de culture si les objets sont biologiques, et le mélange d'au moins deux de ceux-ci. On peut, par exemple, appliquer 10 à 20 μΐ de solvant(s) sur le substrat.
Le taux de transfert des objets de la surface du timbre vers la surface du substrat à l'issue de l'étape b) est au moins entre 50 à 100 %, avantageusement de 70 à 100%. Selon un mode de réalisation avantageux, le taux de transfert est de 100%.
Par taux de transfert, on entend la quantité d'objets effectivement déposée sur le substrat à l'étape b) par rapport à la quantité initiale d'objets déposée sur le timbre à l'étape a).
La qualité de l'encrage, de l'impression ainsi que le taux de transfert des objets, dans le procédé de l'invention, sont contrôlés à différents stades et de manières différentes. Le premier contrôle de la qualité de l'encrage peut être visuel. Il permet de vérifier l'homogénéité macroscopique du dépôt. De plus, dans le cas d'objets conducteurs, la formation de la couche peut être suivie en temps réel grâce à un montage électrique, par exemple, composé de deux électrodes placées de part et d'autre du timbre lors de l'étape de l'encrage. La conductivité électrique qui est liée à la quantité d'objets déposée, peut être mesurée par un multimètre. Enfin, a posteriori, c'est-à-dire après l'impression sur le substrat, des observations et mesures peuvent être réalisées sur le substrat imprimé au microscope électronique à balayage (MEB) et au microscope à force atomique (AFM).
Le procédé selon l'invention peut être utilisé dans de nombreux domaines industriels.
Ainsi, la présente invention a pour objet, l'utilisation du procédé selon l'invention, pour :
- traiter des surfaces en optique ou en microélectronique ;
- permettre l'étude systématisée d'objets biologiques ;
- permettre des études systématisées des propriétés des objets déposés ;
- fabriquer des supports pour l'ingénierie tissulaire ou pour la culture de cellules ;
- générer des pistes d'interconnexion à base de nanotubes de carbone ;
- fonctionnaliser des biodétecteurs.
L'invention concerne également un procédé de génération de pistes d'interconnexion à base de nanotubes de carbone caractérisé en ce qu'on utilise un substrat à la surface duquel des motifs de nanotubes de carbone sont formés par le procédé selon l'invention.
L'invention concerne encore plus particulièrement, un procédé de croissance de cellules neuronales et/ou de différenciation de cellules souches caractérisé en ce qu'on utilise un substrat à la surface duquel des motifs de nanotubes de carbone sont formés par le procédé de l'invention.
L'invention a également pour objet un procédé de fonctionnalisation de biocapteur caractérisé en ce que l'on forme des motifs de nanotubes de carbone à la surface du biocapteur par le procédé selon l'invention. Cette fonctionnalisation permet d'améliorer la sensibilité du biocapteur.
D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention pourront encore apparaître à la lecture des exemples ci-dessous donnés à titre illustratif et les figures annexées.
- La Figure 1 représente des surfaces typiques en PDMS préparées pour la culture cellulaire 2D. L'image a) représente une image en microscopie électronique à balayage (MEB) de la surface d'un timbre en PDMS comportant des microsillons. L'image b) représente une image en microscopie électronique à balayage (MEB) de la surface d'un timbre en PDMS comportant des microsillons, ladite surface étant recouverte entièrement par une fine couche de nanotubes de carbone à double paroi (double-walled carbon nanotubes ou DWCNT en anglais) de 50 à 150nm d'épaisseur, déposée selon le procédé de l'invention.
- La Figure 2 est une représentation schématique de la méthode mise en œuvre pour générer des motifs de nanotubes de carbone à double paroi (DWCNT) à la surface d'un substrat. Dans la partie a) la surface du timbre en PDMS est préalablement activée par plasma avec oxygène. La suspension colloïdale de DWCNT est ensuite pulvérisée sur la surface dudit timbre. Dans la partie b) le timbre est mis en contact avec la surface mouillée (éthanol) du substrat en Si02.
- La Figure 3 représente les images en microscopie électronique à balayage
(MEB) du substrat en Si02 après le transfert des nanotubes de carbone à double paroi (DWCNT). Les motifs se présentent sous forme de lignes ayant une largeur entre 20 ιη (à gauche) et 7μιη (à droite). L'image de gauche représente des réseaux périodiques de lignes et de l'espace en ligne droite. L'image de droite représente des réseaux spécifiques de lignes ayant des angles de 90°.
- La Figure 4 représente une image en microscopie à force atomique montrant un motif typique de nanotubes de carbone à double paroi (DWCNT) formé par l'impression par micro-contact. La partie inférieure trace le profil obtenu sur une coupe du dépôt de nanotubes de carbone, et montre le relief.
- La Figure 5 représente les images en microscopie électronique à balayage
(MEB) de couches de nanotubes de carbone à double paroi (DWCNT) déposées selon le procédé de l'invention. L'image a) représente une couche de DWCNT avant l'élimination des traces de SDS (les flèches montrent des exemples de traces de SDS). L'image b) représente une couche de DWCNT après l'élimination des traces de SDS par nettoyage plasma radio-fréquence.
- La Figure 6 représente la densité cellulaire des cellules Neuro2a cultivées pour différents états de surface du substrat. La densité de cellules Neuro2a (nombre de cellules Neuro2a par mm ) est indiquée en ordonnées. Les différents substrats à la surface desquels les cellules Neuro2a ont été cultivées, sont indiqués en abscisse. Les substrats utilisés sont le Si02, le Si02 dont la surface est recouverte d'une couche fine et continue de DWCNT, et le Si02 comportant des motifs de DWCNT. L'insert montre la proportion de différenciation des cellules neuronales sur le Si02 comportant des motifs de DWCNT. La proportion de cellules différenciées est plus élevée sur les motifs de DWCNT que sur la surface en Si02 entre les motifs de DWCNT.
- La Figure 7 représente les images en microscopie à balayage (MEB) de cellules Neuro2a cultivées sur un substrat en Si02 (lettre b) avec des motifs de DWCNT (lettre a) à sa surface. Les motifs de DWCNT sont des réseaux de lignes de largeurs micrométriques et des lignes de largeurs micrométriques formant un angle droit.
- La Figure 8 représente l'encrage d'un timbre par incubation d'une suspension de microsphères de polymère fluorescentes (en gris). L'image représente la fluorescence de la surface du timbre après encrage, on observe les microsphères en gris et on distingue les motifs micrométriques du timbre.
- La Figure 9 représente l'observation de lamelles de verre après transfert des microsphères depuis le timbre de PDMS.
- La Figure 10 représente l'image optique du timbre. L'image de droite est l'image optique du timbre avant le dépôt des microsphères de polymère. L'image de gauche est l'observation du timbre après le dépôt de microsphères de polymère par pulvérisation.
- La Figure 1 1 représente des images optiques du timbre et du substrat
(lamelle de verre). L'image de droite est l'image optique de la géométrie du timbre, avant dépôt de microsphères. L'image de gauche est l'image optique en fluorescence da la lamelle de verre, après transfert des microsphères du timbre.
- La Figure 12 représente un dispositif d'alignement de timbre PDMS sur électrodes.
- La Figure 13 représente des connexions de DWCNT entre des électrodes en or et platine.
- La Figure 14 représente la comparaison de la continuité d'un tapis de nanotubes au niveau du bord d'une électrode dans le cas d'un dépôt direct (gauche) ou par microcontact printing avec encrage par pulvérisation (droite).
- La Figure 15 représente les enregistrements de l'évolution de la fréquence de résonnance (en ordonnée) avec le temps (en abscisse) pour deux types de quartz lors d'une expérience de biodétection immunologique : un quartz comportant une couche dense et homogène de nano tubes de carbone à double paroi (NTC) sur sa surface, ladite couche étant déposée par le procédé selon l'invention, et un quartz usuel ne comportant pas de nanotubes de carbone à double paroi (NTC). EXEMPLES
EXEMPLE 1 : Fabrication de substrat pour culture 2D a- Préparation du timbre en PDMS
Les timbres consistent en un matériau élastomérique microstructuré inerte et biocompatible, le polydiméthylsiloxane (PDMS). Le PDMS est microstructuré de manière conventionnelle, en utilisant un procédé de moulage simple mettant en uvre un moule en silicium. Les microstructures sont générées par lithographie par ultraviolets proches (proximity UV lithography en anglais) et par gravure profonde par ions réactifs (deep Reactive Ion Etching (RIE) en anglais). Un traitement antiadhésif du moule est réalisé utilisant la silanisation en phase liquide avec de l'octadécyltrichlorosilane (OTS), afin de permettre un démoulage facile de l'empreinte polymérique, après le traitement thermique.
La solution de PDMS pré-polymère Sylgard 184 (commercialisée par la société Dow Corning) contenant un mélange d'oligomères de PDMS et d'un agent de réticulation Sylgard 184 (dans un rapport de masse 10: 1, Dow Corning), est versée dans un moule en silicium et traitée thermiquement à 80°C pendant 3 heures. A la fin du traitement, les timbres sont enlevés du moule puis coupés en morceaux de 2cm x 2cm. La dernière étape de fabrication du timbre consiste à nettoyer la surface par un traitement par plasma oxydant (plasma radio-fréquence pendant 30 secondes (Gravure par Ions Réactifs, processeur plasma micro-onde Tepla 300, puissance = 200 W, Température=40°C5 débit 02 = 1 OOOml/min, Pression = 1 ,65 mBars)).
Les motifs utilisés dans ce travail sont des réseaux périodiques de lignes droites de différentes largeurs et de lignes présentant un angle de 90°. b- Préparation de la suspension colloïdale Les nanotubes de carbone à double paroi (double-walled carbon nanotubes ou DWCNT en anglais) utilisés dans ce travail ont été préparés en interne par la technique de dépôt chimique catalytique en phase vapeur, par la décomposition de CH4 à 1000°C (mélange ¾:CH4 à pression atmosphérique) (E. Flahaut et al., Chem. Commun., pp. 1442-1443, 2003). Après l'élimination du catalyseur (HC1), l'échantillon contient approximativement 80% de nanotubes de carbone à double paroi, le reste étant principalement des nanotubes de carbone à simple paroi (environ 15%) et à triple paroi. La forte proportion de nanotubes de carbone métalliques peut présenter certains avantages pour l'ingénierie tissulaire des neurones pouvant par exemple permettre des stimulations électriques par la suite.
Afin d'obtenir une suspension colloïdale stable de nanotubes de carbone à double paroi (DWCNT) et d'éviter l'agrégation desdits nanotubes, un tensioactif est utilisé. Des nanotubes de carbone à double paroi (DWCNT) purifiés et du dodécylsulfate de sodium (SDS) sont mélangés avec de l'eau ultra-pure avec un rapport de masse 1 :10 (DWCNT : 0,1%, SDS : 1%). Le mélange est soniqué pendant 30 minutes (Sonics Vibra Cell) à une puissance de 150W, sous refroidissement dans un bain de glace. Le mélange apparaît alors comme une suspension stable noire qui est de nouveau dispersée dans l'eau ultra-pure et purifiée par centrifugation (16 000 tr/min pendant 30 minutes). c- Génération de la couche de nanotubes de carbone à double paroi (DWCNT)
La suspension colloïdale de DWCNT est ensuite pulvérisée pendant cinq minutes sur la surface du PDMS, à l'aide d'un dispositif de pulvérisation manuelle. La distance entre la surface de PDMS et la buse de pulvérisation est de 20cm. Le caractère hydrophile de la surface en PDMS a permis un bon étalement des gouttelettes éjectées résultant en une couche homogène dense de nanotubes de carbone à double paroi sur la surface du polymère comme le montre la Figure 1. d- Formation de motifs avec des nanotubes de carbone à double paroi (DWCNT) utilisant l'impression par micro-contact selon le procédé de l'invention
Une fois que la surface du timbre en PDMS est recouverte par une couche de nanotubes de carbone à double paroi (DWCNT), le timbre est mis en contact avec la surface d'un substrat en Si02. Pour transférer les DWCNT, une goutte d'éthanol est placée sur le substrat en Si02. La goutte d'éthanol se répand et forme un film mince sur toute la surface. Le timbre en PDMS est ensuite mis en contact avec la surface mouillée de Si02. L'ensemble a été placé dans un four à 100 ° C pendant 30 minutes. Le timbre est ensuite enlevé et des motifs de nanotubes de carbone à double paroi sont formés sur la surface de Si02, comme le montre la Figure 2 qui résume le principe de la méthodologie de formation des motifs de DWCNT à la surface d'un substrat en Si02. La Figure 3 montre les motifs de nanotubes de carbone ainsi générés. La Figure 4 est une image d'une zone comportant un motif de nanotubes de carbone obtenue par microscopie atomique. Le profil correspondant est tracé et montre que la couche de nanotubes déposée par le procédé de l'invention a une hauteur de l'ordre de quelques dizaines de nanomètres. e- Préparation des échantillons pour culture cellulaire
Comme mentionné précédemment, avant la pulvérisation de la suspension colloïdale de nanotubes de carbone à double paroi (DWCNT), lesdits nanotubes sont stabilisés dans l'eau en utilisant le dodécylsulfate de sodium (SDS) comme tensioactif. Les nanotubes DWCNT et le tensioactif sont donc co-déposés au cours de la pulvérisation. L. Dong et coll. (L. Dong, KL. Joseph, C. Witkowski, MM. Craig, nanotechnologie, 2008, 19,255702) ont démontré que le SDS peut être toxique pour les cellules. Ainsi, il est particulièrement important d'être en mesure d'éliminer les traces de SDS des substrats avant de procéder à la culture cellulaire.
Une solution possible peut être d'éviter l'utilisation de ce tensioactif.
Or, dans le cas présent, les meilleurs résultats de formation de motifs sont obtenus avec des suspensions de DWCNT contenant du SDS. Il a donc été choisi d'éliminer le SDS après l'étape de formation des motifs. Pour ce faire, les substrats comportant des motifs à leur surface sont traités par plasma radio-fréquence pendant 30 secondes (Gravure par Ions Réactifs, processeur plasma micro-onde Tepla 300, puissance = 200W, Température=40°C, débit 02 = lOOOml/min, Pression = 1,65 mBars). La Figure 5 montre des images en microscopie électronique à balayage (MEB) de substrats imprimés avec et sans ce traitement.
Tous les substrats ont été stérilisés aux rayons UV pendant 30 minutes. L'optimisation de ce traitement de nettoyage post-dépôt permet un plus grand choix de tensioactifs possibles pour stabiliser tout type de suspension.
Culture Cellulaire
Les cellules de neuroblastome de souris Neuro2a ont été cultivées dans un milieu DMEM supplémenté avec 10% de sérum fœtal bovin (PAA Laboratories) et de la streptomycine 1% de pénicilline (GIBCO) dans des boîtes de Pétri (Falcon).
Les cellules ont été sous cultivées deux fois par semaine, et maintenues à 37°C et 5% de C02.
Toutes les expériences rapportées ont été effectuées en utilisant des cellules ayant été sous-cultivées moins de 20 fois.
Les cellules Neuro2a ont été ensemencées sur des substrats à une densité de 1,2 x 104 cellules/cm2. Les cellules ont été incubées pendant 24 heures puis différenciées en substituant le milieu DMEM par un DMEM préchauffé contenant 0,1% BSA (albumine de sérum-bovin, Euromedex) BSA.
Les cellules ont ensuite été maintenues à 37°C pendant 48 heures avant d'être fixées avec du paraformaldéhyde 3,5% (Sigma) pour la caractérisation.
Observations en microscopie électronique à balayage (MEB)
Les observations en microscopie électronique à balayage (MEB) ont été faites afin de voir simultanément les motifs DWCNT et les cellules Neuro2a. Les substrats obtenus après la culture cellulaire ont été rincés et directement utilisés pour l'observation au MEB. La Figure 7 montre les résultats obtenus de culture de cellules Neuro2a sur motifs de DWCNT. Les cellules Neuro2a sont préférentiellement localisées sur les motifs de DWCNT.
Ces observations ont été complétées par l'imagerie optique fluorescente, qui a permis d'étudier le comportement des cellules sur une grande population et également a rendu possible le marquage fluorescent de certaines structures sous-cellulaires (actine, noyau, etc.). Ainsi, la densité de cellules a été dénombrée sur les différents substrats de culture : S1O2, Si02 comportant une couche continue de DWCNT et un substrat de Si02 comportant des motifs en ligne de DWCNT. Les résultats de ces quantifications sont présentés sur la figure 6. De même, dans ce dernier cas (motifs de DWCNT), la localisation des cellules a été observée. L'encart de la Figure 6 met en évidence que les cellules Neuro2a se développent préférentiellement (à plus de 80%) sur les motifs de DWCNT.
EXEMPLE 2 : Création de connexions pour la nanoélectronique : a- Préparation du timbre en PDMS Les timbres consistent en un matériau élastomérique microstructuré inerte et biocompatible, le polydiméthylsiloxane (PDMS). Le PDMS est microstructuré de manière conventionnelle, en utilisant un procédé de moulage simple sur un substrat de silicium préalablement microstructuré. Les microstructures sont générées sur le moule en silicium par photolithographie UV de proximité (proximity UV lithography en anglais) et par Gravure Ionique Profonde Réactive (Deep Reactive Ion Etching (DRIE) en anglais). Un traitement anti-adhésif du moule est réalisé par silanisation en phase liquide avec de l'octadécyltrichlorosilane (OTS), afin de permettre un démoulage facile de l'empreinte polymérique, après le traitement thermique.
La solution de PDMS pré-polymère Sylgard 184 (commercialisée par la société Dow Corning) contenant un mélange d'oligomères de PDMS et d'un agent de réticulation Sylgard 184 (dans un rapport de masse 10:1, Dow Corning), est versée dans un système qui permet d'obtenir des timbres d'épaisseur homogène et contrôlée et traitée thermiquement à 80°C pendant 3 heures pour effectuer la réticulation de Félastomère. Des lames de verre de 2cm x 2cm sont appliquées sur le PDMS avant réticulation pour empêcher mécaniquement tous phénomènes de retrait du timbre. La dernière étape de fabrication du timbre consiste à nettoyer la surface par un traitement par plasma oxydant (plasma radio-fréquence pendant 30 secondes (Gravure par Ions Réactifs, processeur plasma micro-onde Tepla 300, puissance = 200W, Température=40°C, débit 02 = 1000ml/min, Pression = 1,65 mBars)).
Les motifs utilisés dans ce travail sont dessinés de manière à connecter des électrodes préalablement crées sur le substrat et dont la réalisation est détaillée à l'étape d. Des motifs d'alignement optique de types Moiré (complémentaires à ceux inscrits sur le substrat) sont également présents à la surface du timbre. Ce type de timbre permet ainsi de déposer des nano-objets suivant des motifs qu'il est possible d'aligner par rapport à des motifs préexistants à la surface de l'échantillon. Cette capacité est primordiale pour les applications visant le secteur de la nanoélectronique. b- Préparation de la suspension colloïdale
Les nano tubes de carbone à double paroi (double- walled carbon nanotubes ou DWCNT en anglais) utilisés dans ce travail ont été préparés en interne par la technique de dépôt chimique en phase vapeur, par la décomposition de CH4 à 1000°C (mélange H2:CH4 à pression atmosphérique) (E. Flahaut et al., Chem. Commun., pp. 1442-1443, 2003). Après l'élimination du catalyseur (HC1), l'échantillon contient approximativement 80% de nanotubes de carbone à double paroi, le reste étant principalement des nanotubes de carbone à simple paroi (environ 15%) et à triple paroi.
Afin d'obtenir une suspension colloïdale stable de nanotubes de carbone à double paroi (DWCNT) et d'éviter l'agrégation desdits nanotubes, un tensioactif est utilisé. Des nanotubes de carbone à double paroi (DWCNT) purifiés et du dodécylsulfate de sodium (SDS) sont mélangés avec de l'eau ultra-pure avec un rapport de masse 1 :10 (DWCNT : 0,1%, SDS : 1%). Le mélange est dispersé aux ultrasons pendant 30 minutes (Sonics Vibra Cell) à une puissance de 150W, en refroidissant dans un bain de glace. Le mélange apparaît alors comme une suspension stable noire qui peut être diluée dans l'eau ultra-pure et purifiée par centrifugation (centrifugation 16 000 tr/min pendant 30 minutes). c- Encrage du timbre de PDMS par pulvérisation de la solution de nanotubes de carbone à double paroi (DWCNT)
La suspension colloïdale de DWCNT est ensuite pulvérisée pendant cinq minutes sur la surface du PDMS, à l'aide d'un dispositif de pulvérisation manuelle. La distance entre la surface de PDMS et la buse de pulvérisation est de 20cm. Le caractère hydrophile de la surface en PDMS a permis un bon étalement des gouttelettes éjectées résultant en une couche homogène dense de nanotubes de carbone à double paroi sur la surface du polymère comme le montre la Figure 1. d- Préparation des microélectrodes Des paires d'électrodes constituées de deux contacts de 50μηι2 à leurs extrémités et mesurant 125μηι de long et 25 μηι de large et espacées de distance allant de 2 à 50 μηι sont dessinées en chrome sur du verre afin de réaliser un masque de photolithographie. Un wafer de silicium est oxydé thermiquement pour obtenir une couche isolante d'oxyde de silicium de 300nm d'épaisseur. Une résine photosensible est déposée et sélectivement insolée à travers le masque comportant le motif des électrodes. La résine non insolée est dissoute. Un protocole de photolithographie classiquement utilisé dans la microélectronique est utilisé lors de ces étapes. Un dépôt de titane puis d'or (ou platine) d'épaisseurs respectives de lOnm et lOOnm est effectué. Un procédé de « lift-off » est réalisé pour obtenir les électrodes planes souhaitées. Des marques d'alignement de type Moiré sont également présentes sur le dessin du masque. e- Alignement
Le timbre de surface hydrophile en PDMS, supporté par la lame de verre, est placé en vis-à-vis du substrat à une distance de 20 μηι à 100 μηι. Le wafer de silicium est placé sur un plateau dont le déplacement est contrôlé (Station Karl Suss Pa200). Un contrôle en température du substrat est également possible. Le timbre en PDMS est aligné sur les électrodes grâce à un microscope situé au dessus du système considéré. L'alignement suivant les motifs de Moiré complémentaire permet une précision submicrométrique en utilisant un seul objectif. La Figure 12 est une représentation du dispositif d'alignement susmentionné. f- Formation de motifs avec des nanotubes de carbone à double paroi (DWCNT) utilisant l'impression par micro-contact
Une fois que la surface du timbre en PDMS est encrée par pulvérisation par une couche de nanotubes de carbone à double paroi (DWCNT), le timbre est mis en contact avec le wafer de silicium équipé d'électrodes. Pour transférer les DWCNT, une goutte d'éthanol est placée sur le wafer. La goutte d'éthanol se répand et forme un film mince sur toute la surface. Le timbre en PDMS est ensuite mis en contact avec la surface et les électrodes. La température du substrat est alors montée à 100°C pendant 30 min. Le timbre est ensuite enlevé et des motifs de nanotubes de carbone à double paroi sont formés entre les électrodes. La Figure 13 représente des connexions de DWCNT entre des électrodes en or et platine, réalisées selon le procédé de l'invention. g- Résultats
Ces connexions de nanotubes peuvent être alors utilisées comme dispositifs de détection (gaz, espèce chimique, rayonnement, etc.) ou pour des applications en tant que connexions. Cette technique permet l'obtention d'une couche microstructurée homogène, dense, et continue (voir Figure 14), en apportant des améliorations significatives par rapport à l'état de l'art.
EXEMPLE 3 : Comparaison de l'encrage par incubation et de l'encrage par pulvérisation pour le transfert de micro-objets sur un substrat à l'aide de timbres en PDMS
Les micro-objets utilisés dans ce travail sont des microsphères de polymère de Ι μπι de diamètre (Fluoro-max, Thermoscientific). Ces microsphères sont fluorescentes pour une longueur d'onde d'excitation autour de 504nm. La suspension est utilisée en l'état, à 1% de volume solide. Les timbres de surfaces hydrophiles utilisés sont en PDMS (Sylgard 184) et comportent des motifs dont l'une au moins des dimensions est micrométrique. Le timbre de PDMS est nettoyé au plasma oxygène, pendant 30 secondes avec une puissance de 200W (nettoyant plasma radio-fréquence (Gravure par Ions Réactifs, processeur plasma micro-onde Tepla 300, puissance = 200W, Température=40°C, débit 02 = 1000ml/min, Pression = 1 ,65mBars)).
A. Incubation et transfert sur un substrat
Â.l Incubation
La suspension colloïdale de microsphères est agitée à l'aide d'un vortex pendant 45 secondes. Une goutte de 800μί est ensuite directement déposée à l'aide d'une micropipette sur la surface du timbre comportant les micromotifs. Cette goutte est laissée en contact avec la surface pendant 5 minutes puis est retirée à l'aide d'une micropipette. La surface du timbre est alors séchée à l'aide d'un flux continu d'azote pendant 30 secondes. La surface du timbre après encrage par incubation est observée au microscope optique à fluorescence. Un exemple d'observation est présenté sur la Figure 8.
La Figure 8 montre bien que l'encrage du timbre n'est pas homogène : il y a des zones où les microsphères se sont accumulées et de larges zones sans microsphères.
A.2 Transfert
Le transfert des microsphères est réalisé sur une lamelle de verre préalablement traitée au plasma oxygène (durée : 5 minutes, puissance : 800W ((Gravure par Ions Réactifs, processeur plasma micro-onde Tepla 300, puissance = 200W, Température=40°C, débit 02 = lOOOml/min, Pression = l ,65mBars)). Une goutte de ΙΟΟμί d'eau désionisée est déposée sur la lamelle de verre afin d'améliorer le transfert des microsphères sur la lamelle de verre. La surface du timbre, ayant reçu le dépôt de microsphères par incubation, est mise en contact avec la lamelle de verre humide. Directement après le contact, l'ensemble « lamelle de verre-timbre » est placé dans une étuve à 100°C pendant 3 minutes.
Le timbre est finalement retiré de la lamelle de verre puis cette dernière est observée au microscope optique à fluorescence (Figure 9).
L'encrage par incubation n'ayant pas mené à la formation d'une couche homogène et continue de micro-objets sur le timbre, le résultat du transfert de ces objets du timbre au substrat d'accueil n'est pas homogène et présente de larges zones sans objets. Il est quasiment impossible de reconnaître les motifs attendus sur- le résultat final.
Afin de pouvoir comparer les méthodes d'incubation et de pulvérisation, seuls les paramètres concernant les étapes d'incubation et de pulvérisation changent. Tous les paramètres fonctionnels expérimentaux restent inchangés.
B. Pulvérisation et transfert sur un substrat
B.l Dépôt par pulvérisation La suspension colloïdale de microsphères est agitée à l'aide d'un vortex pendant 45 secondes.
Cinq millilitres de cette suspension sont ensuite introduits dans le réservoir du système de pulvérisation manuelle. L'ouverture de la buse du système est de 300μπι, la distance séparant le timbre de PDMS et la buse de sortie s'élève à 30cm. Le dépôt par pulvérisation dure 60 secondes (le réservoir contenant la suspension de microsphères n'est pas vide après ce dépôt).
La surface du timbre, ayant reçu le dépôt de microsphères par pulvérisation, est observée par microscopie optique à fluorescence (Figure 10).
L'encrage du timbre est homogène, il n'y a pas de zones dépourvues de microsphères.
B.2 Transfert
Le protocole de transfert est identique à celui décrit au paragraphe A,2.
Le transfert des microsphères est réalisé sur une lamelle de verre préalablement traitée au plasma oxygène (durée : 5 minutes, puissance : 800W ((Gravure par Ions Réactifs, processeur plasma micro-onde Tepla 300, puissance = 200 W, Température=40°C, débit 02 = 1000ml/min, Pression = l565mBars)). Une goutte de ΙΟΟμί d'eau dé ionisée est déposée sur la lamelle de verre afin d'améliorer le transfert des microsphères sur la lamelle de verre. La surface du timbre, ayant reçu le dépôt de micro sphère s par incubation, est mise en contact avec la lamelle de verre humide. Directement après le contact, l'ensemble « lamelle de verre-timbre » est placé dans une étuve à 100°C pendant 3 minutes.
Le timbre est finalement retiré de la lamelle de verre puis cette dernière est observée au microscope optique à fluorescence (Figure 1 1 ).
Le transfert du timbre vers la lamelle de verre est fidèle à la géométrie du timbre. Le dépôt ainsi réalisé permet d'obtenir des motifs micrométriques (ici entre 20μηι et plusieurs centaines de μηι) d'objets micrométriques.
EXEMPLE 4 : Fonctionnalisation de biocapteurs
Dans ce travail, les motifs de nanotubes de carbone à double paroi (NTC) sont formés sur la zone active d'un biocapteur. Cela permet d'améliorer la sensibilité du biocapteur, c'est-à-dire de diminuer sa limite de détection de plus d'un ordre de grandeur. Le biocapteur utilisé dans cet exemple est un biocapteur mécanique particulier : la microbalance à quartz, très largement utilisée pour détecter des interactions spécifiques entre biomolécules. a- Principe de détection de la microbalance à quartz
La microbalance à quartz est un système de mesure permettant de détecter de manière quantitative une masse adsorbée sur une surface. La détection de F ajout de masse est réalisée grâce à un cristal piézoélectrique de quartz (appelé « quartz »). La surface de ce quartz constitue la zone active de ce détecteur. En pratique, le quartz est placé dans une chambre fluidique, dans laquelle on fait passer un fluide contenant les éléments que l'on souhaite détecter. Une différence de potentiel alternative est appliquée au quartz, afin de le maintenir en mode de vibration mécanique. L'adsorption de l'élément que l'on souhaite détecter sur la surface du quartz induit une variation de masse (Am) sur la surface du quartz. Cela se traduit par une variation de la fréquence de résonance du quartz (Δίηι), mesurée en temps réel. Dans le cas d'une prise de masse, cette fréquence diminue, tandis que dans le cas d'une perte de masse, cette fréquence augmente. La masse adsorbée est proportionnelle à la variation de f équence mesurée. Comme cela est montré, en utilisant le procédé selon l'invention pour l'impression de nanotubes de carbone sur la zone active de ce biocapteur mécanique, la limite de détection de ce biocapteur est fortement améliorée. b- Intégration de motifs de NTCs sur la surface d'un quartz de QCM
Les motifs de nanotubes de carbone à double paroi (NTC) sont formés sur la surface du quartz, selon le procédé de l'invention tel que décrit à l'exemple 1. Le transfert des NTC est ici réalisé sur la surface active du système de détection : il s'agit de la surface du quartz piézo-électrique dans le cas du biocapteur QCM.
Les propriétés du quartz ne sont pas endommagées par le procédé de l'invention. c- Résultats et interprétation Pour mettre en évidence l'effet des NTC sur la sensibilité de la biodétection, les performances d'un quartz usuel, qui ne comporte pas de NTCs ont été comparées avec un quartz sur lequel nous avons imprimé une couche dense et homogène de NTCs en utilisant le procédé de l'invention. Pour cela, chacun de ces quartz est placé dans une chambre fluidique indépendante et une même solution contenant un anticorps sonde à une concentration de Ι μξ/mL, dilué dans du PB S (phosphate buffered saline) est circulée dans ces chambres. Puis, un rinçage est effectué pour enlever les anticorps sondes qui ne sont pas bien adsorbés sur les surfaces des quartz. Nous incubons ensuite la solution qui contient des anticorps cibles, à une concentration de 1 μ^πιΐ.,. La Figure 15 présente les enregistrements de l'évolution de la fréquence de résonnance avec le temps pour les deux types de quartz.
Il est observé que :
- lorsque le quartz comporte des nanotubes de carbone à double paroi (NTC) sur sa surface, la fréquence diminue rapidement après l'injection de l'anticorps sonde. Cela signifie que des anticorps sonde se sont adsorbés à la surface du quartz et que le biocapteur a détecté un ajout de masse.
- lorsque le quartz ne comporte pas de nanotubes de carbone à double paroi (NTC) sur sa surface, la fréquence reste constante au cours du temps. Le biocapteur sans NTC ne détecte aucune masse adsorbée, car la concentration en molécules sondes dans la solution est trop faible et donc en deçà de la limite de détection.
L'étape de rinçage n'a pas d'effet sur la fréquence, ce qui signifie que les anticorps sondes étaient bien adsorbés.
Après l'injection d'anticorps cibles, on observe que la fréquence diminue à nouveau pour le quartz qui comporte des NTC sur sa surface. Cela montre que les anticorps cibles se sont adsorbés sur la surface du biocapteur. Il y a eu une interaction entre les anticorps sondes, déjà présents sur la surface et ces anticorps cibles. La détection des cibles à une concentration de ^g/mL est donc possible dès lors que la zone active du biocapteur est équipée de NTC.
En revanche, pour le quartz ne comportant pas de NTC, aucune variation de fréquence n'est observée. Les anticorps cibles ne sont pas détectés par le biocapteur ne comportant pas de NTCs sur sa surface car la concentration en molécules cibles dans la solution est trop faible et donc en deçà de la limite de détection. Ces observations montrent que la limite de détection du biocapteur équipé de NTC est abaissée. Le biocapteur traité avec le procédé de l'invention devient plus sensible.
Pour expliquer ces observations, des études complémentaires ont été réalisées qui montrent que la masse adsorbée dépend de l'épaisseur des motifs de NTCs déposés à la surface du biocapteur. Les NTCs peuvent ainsi servir d'« éponge » pour les entités à détecter. Les motifs de NTCs agissent de deux manières :
- ils augmentent fortement la densité de sondes à la surface de la zone active du capteur
- ils améliorent la conformation des molécules sondes dans le réseau poreux du tapis de NTCs ce qui facilite l'interaction cible/sonde.
Ces deux modes d'action conduisent à une amélioration de la limite de détection pouvant atteindre 2 ordres de grandeur dans certaines conditions optimisées.
La validation de cet effet a été montrée sur un type de biocapteur : la QCM (Microbalance à quartz), mais peut se généraliser à tout type de biodétecteurs ou de biopuces. Grâce au procédé de l'invention qui permet de réaliser des motifs précis et contrôlés de NTCs, et d'aligner ces motifs sur des structures pré-existantes, il devient possible de fonctionnaliser tous types de biocapteurs (électriques, mécaniques, optiques, . plasmoniques) de différentes dimensions (macro, micro, ou biopuces). Le procédé devient un procédé générique de fonctionnalisation de surface de biocapteurs permettant l'augmentation de leur sensibilité. d- Utilisation
Les motifs de NTCs peuvent être utilisés pour améliorer la sensibilité des biocapteurs et des biopuces de manière significative par rapport à l'état de l'art. CONCLUSION
Les exemples montrent que l'invention peut être utilisée pour réaliser les motifs contrôlés de divers types de nano-objets (nanotubes et microparticules de polymères). L'exemple 3 établit l'avantage de réaliser l'encrage des timbres par pulvérisation qui surpasse l'état de l'art actuel basé sur l'incubation. En effet, cet exemple montre que :
- l'encrage par incubation ne permet pas la formation d'une couche homogène et continue de micro-objets sur le timbre ; le transfert de ces objets du timbre au substrat d'accueil n'est pas non plus homogène et présente de larges zones sans objets ;
- l'encrage du timbre par pulvérisation est homogène et qu'il n'y a pas de zones dépourvues de microsphères ; le transfert des microsphères du timbre vers la lamelle de verre est également homogène et fidèle à la géométrie du timbre.
Les exemples 1, 2 et 4 montrent que la présente invention peut être utilisée avantageusement dans le domaine de la biodétection et de l'ingénierie tissulaire (culture contrôlée de cellules neuronales sur des motifs de nanotubes de carbone), ainsi que dans le domaine de nanoélectronique (fabrication d'interconnexions électroniques par impression directe).

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de formation de motifs d'objets sur la surface d'un substrat, par lithographie douce, en particulier par l'impression par micro-contact ^CP), caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :
a) dépôt, par pulvérisation, d'objets en suspension colloïdale dans un solvant ou un mélange de solvants, à la surface d'un timbre rendue hydrophile par un traitement physique,
b) transfert des objets de la surface dudit timbre vers la surface du substrat par mise en contact dudit timbre avec la surface dudit substrat
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend, de plus, avant l'étape a), une étape de préparation de la suspension colloïdale d'objets.
3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le traitement physique est un traitement physique oxydant, par exemple, un traitement plasma oxydant ou une ozonisation sous rayonnements ultraviolets.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les objets sont choisis dans le groupe constitué par :
- des nano-objets de carbone comme les nanotubes de carbone, les fullerènes, les nanofibres de carbone, les nanoparticules de carbone, le graphène,
- des nanoparticules et/ou nanofils de métal comme l'or (Au), le platine (Pt), le nickel (Ni) et leurs oxydes ; de semi -conducteur comme le silicium (Si), le phosphure d'indium (InP), le nitrure de gallium (GaN) ; d'oxydes métalliques comme le Ti02, le ZnO,
- des objets biologiques choisis parmi l'ADN, les cellules, les microorganismes, les bactéries, les protéines, les anticorps, les virus.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que dans la suspension colloïdale à l'étape a), le solvant est choisi parmi l'eau, le méthanol, l'éthanol, le propanol, l'isopropanol, le n-butanol, l'éther éthylique, le THF, le chloroforme, le DMSO, le toluène, le dichloromét ane, l'acétone, I'hexane, le milieu de culture lorsque les objets sont biologiques, et le mélange d'au moins deux de ceux-ci.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la concentration en objets dans la suspension colloïdale à l'étape a) est comprise entre 0,01 et 1 mg/ml, bornes incluses.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'étape a) de dépôt d'objets à la surface du timbre est effectuée par pulvérisation au moyen d'une buse de pulvérisation de diamètre compris entre 100 et 500 μιη, bornes incluses.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la pulvérisation est réalisée avec une pression de poussée comprise entre 1 et 20 bar, bornes incluses.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la pression de poussée de la pulvérisation est obtenue avec un gaz ou un mélange de gaz choisi(s) parmi l'azote, l'air.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la pulvérisation est réalisée à une température comprise entre 15 et 100°C, bornes incluses.
I L Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que lors de la pulvérisation, la distance entre la buse de pulvérisation et la surface du timbre est de 15 à 45 cm, bornes incluses.
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que la durée de pulvérisation est de 1 seconde à 10 minutes, bornes incluses.
13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que l'une au moins des dimensions des motifs d'objets formés sur la surface du substrat à l'issue de l'étape b), est comprise entre 50 nm et 500 μιη, bornes incluses.
14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que le taux de transfert d'objets de la surface du timbre vers la surface du substrat à l'issue de l'étape b) est au moins entre 50 et 100%.
15. Utilisation du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, pour: - traiter des surfaces en optique ou en microélectronique ;
- permettre l'étude systématisée d'objets biologiques ;
- permettre des études systématisées des propriétés des objets déposés ;
- fabriquer des supports pour l'ingénierie tissulaire ou pour la culture de cellules ;
- générer des pistes d'interconnexion à base de nanotubes de carbone ;
- fonctionnaliser des biodétecteurs.
16. Procédé de génération de pistes d'interconnexion à base de nanotubes de carbone caractérisé en ce qu'on utilise un substrat à la surface duquel des motifs de nanotubes de carbone sont formés par le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 14.
17. Procédé de croissance de cellules neuronales et/ou de différenciation de cellules souches caractérisé en ce qu'on utilise un substrat à la surface duquel des motifs de nanotubes de carbone sont formés par le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 14.
18. Procédé de fonctionnalisation de biocapteur caractérisé en ce que l'on forme des motifs de nanotubes de carbone à la surface du biocapteur par le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 14.
PCT/IB2012/051567 2011-03-30 2012-03-30 Procede de formation de motifs d'objets sur la surface d'un substrat WO2012131644A1 (fr)

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