WO2021234310A1 - Puce microfluidique tridimensionnelle, procede de fabrication d'une telle puce et utilisation pour la separation de particules dans des solutions colloïdales - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates generally to the field of microfluidic chips, in particular intended for filtering solutions with high added value produced in very small quantities.
- the studs can have a section of any shape (square, rhombus, triangle, or even any). In the case of a circular section, the diameter of the studs will advantageously be between 1 and several hundred microns.
- the effective surface of said first filtering zone can be between 0.01 and 0.1 mm 2 .
- the height 3 ⁇ 4 of the pads of the second filtering zone can be between 0.05 ⁇ m and 1 ⁇ m.
- the micro fluidid chip according to the invention can constitute a multiple porosity filter with different submicron pore sizes if the chip according to the invention contains in particular at least two filtering zones.
- the porosity of the filter is gradual so that the micrometric and nanometric objects are effectively separated.
- the first filtering zone and / or the second filtering zone may include a passage provided with a convergent, to allow the capture of particles with a diameter between 4 ⁇ m and 50 mhi.
- the first filtering zone and / or the second filtering zone may further comprise a divergent disposed in series and downstream of the convergent, in the direction of the flow of the liquid in the three-dimensional micro-fluidic chip.
- This process is a process known as “soft lithography” allowing to arrange the pores (that is to say the spaces between the pads in each of the filtering zones) in the filter (that is to say the three-dimensional microfluidic chip according to the invention) while controlling their size and shape (as illustrated in [Fig 4] to [Fig 8]).
- positive resin is meant, within the meaning of the present invention, a type of photosensitive resin for which the part exposed to UV / light radiation becomes soluble in the developer and where the unexposed photosensitive resin part remains insoluble.
- thermosetting polymer is used as the only thermosetting polymer (first thermosetting polymer).
- step K can be replaced in the process by the following alternative sub-steps:
- thermosetting polymer K forming by molding in the counter-mold of a second thermosetting polymer in the liquid state, so as to conform to the shape of the counter-mold and of the container, then heating to a temperature between 60 and 80 ° C (and preferably at a temperature of the order of 65 ° C) to obtain a first part solidified into a second thermosetting polymer; preferably, the heating will be carried out at a temperature of 65 ° C.
- the present invention also relates to the use of the microfluidic chip according to the invention for the separation of particles of different sizes in colloidal solutions, and in particular when these particles have sizes varying between 0.05 ⁇ m and 20 mhi.
- FIG 1 shows a schematic perspective view of a filtration device of the prior art, in which the liquid to be filtered passes through different membranes, the pore size of which is different and with a large contact surface with the liquid to be filtered. , of the order of a few mm 2 ;
- FIG 4 shows a schematic side sectional view of the flow channel of [Fig 2], the section being taken in the plane 2 perpendicular to the longitudinal axis of [Fig 2] (direction of flow);
- FIG 5 shows a schematic side sectional view of the flow channel of [Fig 2], the section being taken in the plane 4 perpendicular to the longitudinal axis of [Fig 2] (direction of flow);
- FIG 7] to [Fig 9] represent the different stages of making the filtering zone of [Fig 6] in accordance with a first embodiment of the method of manufacturing a microfluidic chip according to the invention
- FIG 13] and [Fig 14] show the steps for making a flow channel with at least two filtering zones, in accordance with the invention
- FIG 15 comprises a schematic representation of an example of a microfluidic chip according to the invention comprising 6 flow channels, as well as a photograph showing in detail one of these 6 channels in top view of this flow channel. flow (cf. example 2);
- each of the molds 5, 6 into a container and shaping by molding, in each of these molds 5, 6 of a first thermosetting polymer in the liquid state, so as to conform to the shape of the mold and the container in which each mold is placed 5, 6; then heating to a temperature between 60 and 80 ° C to obtain in the first mold 5 a first solidified part 5 'corresponding to the first layer 41 provided with the plurality of pads 310 of the first filtering zone 31, and in the second mold 6 a second solidified part 6 'corresponding to a second layer 311 (step not shown in the figures);
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Abstract
La présente invention a pour objet une puce microfluidique (1), notamment destinée à filtrer des solutions à haute valeur ajoutée produites en très faibles quantités. La présente invention a également pour objet un procédé de fabrication d'une telle puce microfluidique tridimensionnelle.
Description
DESCRIPTION
Titre de l’invention : PUCE MICROFLUIDIQUE TRIDIMENSIONNELLE, PROCEDE DE FABRICATION D’UNE TELLE PUCE ET UTILISATION POUR LA SEPARATION DE PARTICULES DANS DES SOLUTIONS COLLOÏDALES
[1] La présente invention concerne de manière générale le domaine des puces micro fluidiques, notamment destinées à filtrer des solutions à haute valeur ajoutée produites en très faibles quantités.
[2] Dans le domaine de la filtration, il est connu de l’homme du métier d’utiliser des filtres à membrane dans tous les domaines industriels (chimie, biologie, pharmacie, agro-alimentaire, traitement de l'eau....) en particulier pour faire de la séparation, donc d’enlever des particules de la suspension colloïdale. Généralement au cours de la filtration, le liquide passe dans un milieu poreux dont la taille des pores est plus petite que la taille des objets transportés.
[3] Malgré leur efficacité dans un grand nombre de cas, ces procédés de filtration souffrent de plusieurs inconvénients.
[4] Tout d’abord tous les filtres sans exception s’encrassent au moins partiellement 1 4. On observe ainsi que, très rapidement, les particules obstruent tous les pores (colmatage) et ensuite il se forme un "gâteau de filtration", c’est-à-dire une assemblée concentrée de particules, principalement à l’entrée du filtre mais aussi au sein du filtre. Ce gâteau « filtre » à son tour les particules plus petites qui ne peuvent pas être retenues habituellement par le filtre. Ce procédé appelé communément auto-filtration ne permet pas d’être très sélectif dans les tailles de particules à retenir ou à faire passer. Cependant, une certaine sélectivité peut être obtenue mais cela nécessite de passer la même suspension quelques dizaines de fois dans un même filtre qui se colmate progressivement ou dans plusieurs filtres successifs de porosités différentes, comme illustré par [Fig 1] Le colmatage conduit aussi à une forte augmentation de la perte de charge du filtre qui entraîne une diminution du débit d'injection de la suspension, induisant une filtration de plus en plus lente ou même parfois interrompue.
[5] Par ailleurs, le procédé de filtration habituellement utilisé dans le milieu industriel implique de travailler à minima avec plusieurs millilitres de suspension, ce qui n’est pas adapté à la filtration de suspensions à haute valeur ajoutée qui sont produites en très faibles quantités.
[6] Afin de pallier les inconvénients cités et d’être en mesure de pouvoir filtrer de très faibles volumes de solutions (en particulier des volumes de l’ordre de 10 pL à 100 pL), les Déposants ont cherché à appliquer les potentialités de la micro fluidique qui est parfaitement adaptée pour traiter de tels volumes de solutions (qui sont de deux ordres de grandeur inférieurs à ce qui est accessible avec
la filtration classique), en s’appuyant sur ses précédents travaux5 9 sur le transport particulaire dans les milieux poreux et les progrès de la lithographie douce.
[7] Plus particulièrement, les Déposants ont mis au point une puce microfluidique convenant à la mise en œuvre d’un procédé de filtration d’un liquide contenant des particules en suspension, ladite puce microfluidique comprenant au moins un canal d’écoulement pour recevoir le liquide à filtrer, ce dernier présentant une largeur 1 et une longueur L et comprenant un support lisse en matériau minéral, étant revêtu d’une première couche continue et uniforme en un premier polymère thermodurcissable, ce canal d’écoulement comprenant : une zone d’entrée comprenant un canal d’injection pour introduire ladite solution à filtrer dans ledit canal d’écoulement et un canal de largeur 1, de longueur Lo et de hauteur Ho, au moins une première zone filtrante, de largeur 1 et présentant une longueur Li, ladite première zone filtrante étant en communication fluidique avec ladite zone d’entrée, une zone de sortie comprenant un canal d’éjection pour extraire hors dudit canal d’écoulement ledit liquide une fois filtré. Ce canal d’éjection de largeur 1 présente une longueur L3 et une hauteur Ho, et est en communication fluidique avec la première zone filtrante, ladite puce microfluidique étant caractérisée en ce que ladite première zone filtrante comprend successivement à partir de ladite première couche en un premier polymère thermodurcissable: une pluralité de plots (ou obstacles) en un premier polymère thermodurcissable, lesdits plots présentant une hauteur Hi comprise entre 0,05 miti et 30 miti et étant régulièrement espacés d’une distance di comprise entre 1 et 500 mhi, une deuxième couche continue et uniforme en un deuxième polymère thermodurcissable, identique ou différent du premier polymère thermodurcissable, ladite deuxième couche comprenant une première partie soutenue par les plots de largeur 1, de longueur Li et d’épaisseur ei = H0-H1, et une deuxième partie disposée sur ladite première partie de largeur 1, de longueur Li + Lo et d’épaisseur e’1 comprise entre 2 mm et 3 mm, la deuxième partie se prolongeant dans la zone d’entrée de manière à en recouvrir ledit canal d’entrée, la puce microfluidique étant caractérisée en ce que chaque canal d’écoulement comprend en outre, entre ladite première zone filtrante et ladite zone de sortie : une zone intermédiaire comprenant un canal intermédiaire présentant une largeur 1, une longueur L12 et une hauteur H0, la zone intermédiaire étant en communication fluidique avec la première zone filtrante, et une deuxième zone filtrante, de largeur 1 et présentant une longueur L2, la deuxième zone filtrante étant en communication fluidique avec la zone intermédiaire et la zone de sortie, la deuxième
zone filtrante comprenant successivement à partir de ladite première couche en premier polymère thermodurcissable
• une pluralité de plots comprenant un premier polymère thermodurcissable, lesdits plots présentant une hauteur H2 comprise entre 0,05 pm et 10 miti et étant régulièrement espacés d’une distance d2 comprise entre 1 et 500 mhi,
• une deuxième couche continue et uniforme comprenant un deuxième polymère thermodurcissable, identique ou différent du premier polymère thermodurcissable, ladite deuxième couche comprenant une première partie soutenue par les plots et présentant une largeur 1, une longueur L2 et une épaisseur e2 = H0-H2, et une deuxième partie disposée sur la première partie et présentant une largeur 1, une longueur L2+L3 et une épaisseur e’2 = e’I.
[8] Le fait d’avoir une zone intermédiaire permet d’éviter le colmatage à l’entrée du filtre, comme un filtre à gradient ou la formation d’un gâteau est retardée voire éliminée. Ici on évoque une zone intermédiaire mais on peut facilement en avoir plusieurs autres, entre cinq et dix, toujours pour retenir les particules micro métriques. Chacune de ces zones intermédiaires ne retiennent qu’une gamme restreinte de taille, limitant ainsi le colmatage de chaque zone et la rétention des nanoparticules qui ne sont pas censées être filtrées.
[9] Dans le cadre de la présente invention, on pourra utiliser à titre de support lisse en matériau minéral du verre, ou une plaquette de silicium (on utilise usuellement le terme « wafer » en anglais) de silicium, mais il est également possible, dans le cadre de la présente invention d’utiliser des matériaux polymériques.
[10] Les plots peuvent avoir une section présentant n’importe quelle forme (carré, losange, triangle, voire même quelconque). Dans le cas d’une section de forme circulaire, le diamètre des plots sera avantageusement compris entre 1 et plusieurs centaines de microns.
[11] De manière avantageuse, la hauteur Hi des plots la première zone filtrante peut être comprise entre 0,1 pm et 5 mhi, de préférence entre 0,2 et 2 mhi.
[12] De manière avantageuse, la surface efficace de ladite première zone filtrante peut être comprise entre 0,01 et 0,1 mm2.
[13] De manière avantageuse, la hauteur ¾ des plots de la deuxième zone filtrante peut être comprise entre 0,05 pm et 1 pm.
[14] Selon un premier mode de réalisation de la présente invention, les premier et deuxième polymères thermodurcissables peuvent être identiques, et de préférence constitués de polydiméthylsiloxane (connu sous l’acronyme PDMS).
[15] Selon un deuxième mode de réalisation de la présente invention, les premier et deuxième polymères thermodurcissables peuvent être différents, et de préférence le premier polymère thermodurcissable est une résine photopolymérisable à base de thiolène[10] telle que celle commercialisée sous la dénomination commerciale NOA (connu sous l’acronyme en anglais désignant « Norland Optical Adhesive ») et le deuxième polymère thermodurcissable est du PDMS.
[16] Contrairement aux filtres classiques à porosité unique, la puce micro fluidi que selon l’invention peut constituer un filtre à porosités multiples avec différentes tailles de pores submicroniques si la puce selon l’invention contient notamment au moins deux zones filtrantes. Dans ce cas, la porosité du filtre est graduelle de telle sorte que les objets micrométriques et nanométriques soient effectivement séparés.
[17] De manière préférée, la première zone filtrante et/ou la deuxième zone filtrante (le cas échéant) peuvent comporter un couloir muni d’un convergent, pour permettre la capture des particules de diamètre compris entre 4 pm et 50 mhi. De préférence, la première zone filtrante et/ou la deuxième zone filtrante peuvent comporter en outre un divergent disposé en série et en aval du convergent, dans le sens de l’écoulement du liquide dans la puce micro fluidi que tridimensionnelle.
[18] La puce micro fluidique (ou filtre) selon l’invention est réalisée selon le procédé décrit ci- après, dans lequel la réalisation de la première zone filtrante comprend les étapes suivantes :
A) dépôt par étalement puis centrifugation (en anglais, cete technique est usuellement désignée par les termes « spin-coating »), sur une première plaquete en verre ou en silicium de largeur 1, d’une couche d’une composition de première résine photosensible d’épaisseur Hi comprise 0,05 pm et 20 mhi, la première résine photosensible étant une résine négative si l’épaisseur Hi est comprise entre 0,05 mhi et 0,5 mhi ou une résine positive si l’épaisseur Hi est comprise entre 0,5 pm et 20 pm;
B) dépôt par étalement puis centrifugation, sur une deuxième plaquete en verre ou en silicium de largeur 1, d’une couche d’une deuxième résine photosensible positive d’épaisseur el comprise entre 20 pm et 100 pm ;
C) évaporation par chauffage du ou des solvants contenus dans la composition de première résine photosensible et dans ladite composition de deuxième résine photosensible ;
D) disposition sur la couche de première résine photosensible d’un premier masque de longueur Li comprenant un motif sous forme d’une pluralité d’ouvertures ;
E) disposition sur la couche de deuxième résine photosensible d’un deuxième masque comprenant une ouverture unique disposée au centre de la couche de deuxième résine photosensible, sur une bande de largeur 1 et de longueur L1 ,
F) exposition de chacune des zones des couches de première résine photosensible et de deuxième résine photosensible non couvertes par les premier et deuxième masques respectivement, à des rayonnements de longueur d’onde inférieure à 450 nm (pour chacune des couches, on utilise des longueurs d’onde différentes de rayonnement), de manière qu’au niveau desdites zones ainsi exposées la deuxième résine photosensible positive soit ramollie et que la première résine photosensible soit aussi ramollie s’il s’agit d’une résine positive ou durcie s’il s’agit d’une résine négative ;
G) enlèvement des premier et deuxième masques des première et deuxièmes plaquettes ainsi revêtues et traitées, qui sont ensuite introduites dans un bain de développement (par exemple du PGMEA (propylène glycol monométhyléther) dans le cas de résines positives ou de l’acétone dans le cas inverse), de manière à éliminer toutes les parties ramollies exposées aux UV de la deuxième résine et le cas échéant de la première résine s’il s’agit d’une résine positive, et la partie non durcie et non exposée auxUV de la première résine s’il s’agit d’une résine négative ;
H) obtention d’un premier moule consistant en une première plaquette revêtue d’une couche de première résine photosensible comprenant des trous de profondeur Hi au centre de la ladite couche de première résine photosensible, sur une bande de largeur 1 et de longueur Li, et obtention d’un deuxième moule consistant en une deuxième plaquette revêtue d’une couche de deuxième résine photosensible comprenant une ouverture centrale non recouverte d’épaisseur ei sur une bande de largeur 1 et de longueur Li ;
I) introduction de chacun des premier et deuxième moules dans un récipient et mise en forme par moulage, dans chacun desdits premier et deuxième moules d’un premier polymère thermodurcissable à l’état liquide, de manière se conformer à la forme du moule et dudit récipient dans lequel est déposé chaque moule; puis chauffage à une température comprise entre 60 et 80°C (et de préférence à une température de l’ordre de 65°C ) pour obtenir dans le premier moule une première partie solidifiée correspondant à la première couche munie de la pluralité de plots de la première zone filtrante, et dans le deuxième moule une deuxième partie solidifiée correspondant à une deuxième couche ;
J) enlèvement hors des premier et deuxième moules de la première partie solidifiée et de la deuxième partie solidifiée respectivement ; puis
K) application de la première partie solidifiée sur un support en verre et application de la deuxième partie solidifiée sur ladite première partie solidifiée ;
L) exposition de l’ensemble ainsi formé à un plasma d’air pour faire adhérer ensemble la première partie solidifiée au support en verre et la deuxième partie solidifiée à la première partie solidifiée.
[19] Ce procédé est un procédé dit de « lithographie douce» permettant d’agencer les pores (c’est- à-dire les espaces entre les plots dans chacune des zones filtrantes) dans le filtre (c’est-à-dire la puce microfluidique tridimensionnelle selon l’invention) tout en contrôlant leur taille et forme (comme illustré sur [Fig 4] à [Fig 8]).
[20] Par résine négative, on entend, au sens de la présente invention, un type de résine photosensible pour laquelle la partie exposée aux rayonnements UV devient insoluble au révélateur, tandis que la partie de résine photosensible non exposée reste soluble.
[21] A contrario, on entend par résine positive, au sens de la présente invention, un type de résine photosensible pour laquelle la partie exposée aux rayonnements UV/lumière devient soluble au révélateur et où la partie de résine photosensible non exposée reste insoluble.
[22] De manière avantageuse, lors de l’étape D de disposition sur la couche de première résine photosensible d’un premier masque, on pourra utiliser un masque dont les ouvertures présentent une forme circulaire avec un diamètre compris entre 1 mm et 1,5 mm (correspondant aux diamètres des tubes d’injection standard). Mais il est possible d’utiliser des masques dont les ouvertures ont une forme différente.
[23] De manière avantageuse, l’étape C d’évaporation par chauffage du ou des solvants pourra être réalisée sur une plaque chauffante ou dans un four, à une température comprise entre 65°C et 95°C.
[24] De manière avantageuse, le chauffage lors de l’étape I pourra être réalisée pendant une durée comprise entre 1 h et 2 heures, et de préférence de l’ordre de 1,5 heures pour une température de l’ordre de 65°C.
[25] Selon le premier mode de réalisation (voir ci-dessus), on utilise comme seul polymère thermodurcissable (premier polymère thermodurcissable) du PDMS.
[26] Selon le deuxième mode de réalisation (voir ci-dessus), on pourra remplacer dans le procédé l’étape K par les sous-étapes alternatives suivantes :
K’) une sous-étape de contremoulage dudit premier polymère thermodurcissable sur la première partie solidifiée, puis chauffage à une température comprise entre 60 et 80°C en tant que température préférentielle pour obtenir un contre -moule que l’on sépare de la première partie solidifiée et que l’on introduit dans un récipient; de préférence, le chauffage sera réalisé à une température de 65 °C ;
K”) mise en forme par moulage dans le contre -moule d’un deuxième polymère thermodurcissable à l’état liquide, de manière se conformer à la forme du contre -moule et
du récipient, puis chauffage à une température comprise entre 60 et 80°C (et de préférence à une température de l’ordre de de 65 °C) pour obtenir une première partie solidifiée en deuxième polymère thermodurcissable ; de préférence, le chauffage sera réalisé à une température de 65°C.
[27] De manière avantageuse, le chauffage lors de l’étape K” selon le deuxième mode de réalisation du procédé, pourra être réalisé pendant une durée comprise entre 1 h et 2 heures, et de préférence de l’ordre de 1,5 heures.
[28] De manière avantageuse, dans le deuxième mode de réalisation, on pourra utiliser à titre de premier polymère thermodurcissable du PDMS, et une résine NOA à titre de deuxième polymère thermodurcissable, ou inversement (c’est-à-dire en d’autres termes une résine NOA à titre de premier polymère thermodurcissable et du PDMS à titre de deuxième polymère thermodurcissable).
[29] La deuxième zone filtrante est réalisée de manière similaire à la première zone filtrante.
[30] La présente invention a encore pour objet l’utilisation de la puce microfluidique selon l’invention pour la séparation de particules de différentes tailles dans des solutions colloïdales, et en particulier lorsque ces particules présentent des tailles variant entre 0,05 pm et 20 mhi.
[31] La puce microfluidique selon l’invention peut en particulier être utilisée dans le domaine de la santé, par exemple pour la filtration d’agrégats de protéines altérant la qualité de solutions biomédicales (directement réalisée dans des seringues pré-remplies), mais aussi pour l’analyse fine d’une eau.
[32] D’autres avantages et particularités de la présente invention résulteront de la description qui va suivre, donnée à titre d’exemple non limitatif et faite en référence aux figures annexées et aux exemples :
[Fig 1] représente une vue schématique en perspective d’un dispositif de filtration de l’art antérieur, dans lequel le liquide à filtrer traverse différentes membranes dont la taille des pores est différente et avec une grande surface de contact avec le liquide à filtrer, de l’ordre de quelques mm2 ;
[Fig 2] représente une vue schématique en coupe longitudinale d’un exemple de canal d’écoulement d’une puce microfluidique selon l’invention ;
[Fig. 3] montre une image prise au microscope optique d’un fil de polyester non revêtu, et une autre image prise au microscope optique d’un fil de polyester identique revêtu de la poudre fonctionnelle selon l’invention telle que réalisée dans l’exemple 1 ;
[Fig 4] représente une vue schématique en coupe latérale du canal d’écoulement de [Fig 2], la coupe étant réalisée dans le plan 2 perpendiculaire à l’axe longitudinal de [Fig 2] (direction de l’écoulement) ;
[Fig 5] représente une vue schématique en coupe latérale du canal d’écoulement de [Fig 2], la coupe étant réalisée dans le plan 4 perpendiculaire à l’axe longitudinal de [Fig 2] (direction de l’écoulement) ;
[Fig 6] représente une vue schématique en coupe longitudinale d’une zone filtrante de la puce micro fluidique représentée sur [Fig 2] ;
[Fig 7] à [Fig 9] représentent les différentes étapes de réalisation de la zone filtrante de [Fig 6] conformément à un premier mode de réalisation du procédé de fabrication d’une puce microfluidique selon l’invention,
[Fig 10] à [Fig 12] représente les différentes étapes de réalisation de la zone filtrante d’un deuxième exemple de puce microfluidique selon Finvention conformément à un deuxième mode de réalisation du procédé de fabrication d’une puce microfluidique selon l’invention ;
[Fig 13] et [Fig 14] montrent les étapes de réalisation d’un canal d’écoulement à au moins deux zones filtrantes, conformément à l’invention,
[Fig 15] comprend une représentation schématique d’un exemple de puce microfluidique selon l’invention comportant 6 canaux d’écoulement, ainsi qu’une photographie montrant en détail l’un de ces 6 canaux en vue de dessus de ce canal d’écoulement (cf. exemple 2) ;
[Fig 16] montre un canal d’écoulement de la puce microfluidique de [Fig 15] en fonctionnement ; [Fig 17] montre une représentation schématique d’un canal d’écoulement d’un autre exemple de puce microfluidique selon l’invention, dans laquelle un convergent et un divergent sont disposés en série dans une zone filtrante ; [Fig 17] montre également une photographie de ce canal d’écoulement en fonctionnement.
[33] [Fig. 1] a été décrite dans la partie descriptive relative à l’art antérieur qui précède, tandis que [Fig. 3] à [Fig. 14] sont décrites plus en détail au niveau des exemples qui suivent, qui illustrent l’invention sans en limiter la portée.
[34] [Fig 2] à [Fig 5] illustrent schématiquement un premier exemple de canal d’écoulement d’une puce microfluidique selon l’invention. Ces figures montrent plus particulièrement un canal 3 d’écoulement de largeur 1 et longueur L et comprenant un support lisse 40 en matériau minéral revêtu d’une première couche 41 continue et uniforme en un premier polymère thermodurcissable. Chaque canal d’écoulement 3 comprend : une zone d’entrée 30 comprenant un canal d’injection 300 pour introduire le liquide 2 à filtrer dans le canal d’écoulement 3) et un canal horizontal 301 de largeur 1, de longueur Lo et de hauteur Ho, une première zone filtrante 31, de largeur 1 et présentant une longueur Li, qui est en communication fluidique avec la zone d’entrée 30,
une zone intermédiaire 312 comprenant un canal intermédiaire 3120 et présentant une largeur 1, une longueur L12 et une hauteur Ho, cette zone intermédiaire 312 étant en communication fluidique avec la première zone filtrante 31 , et une deuxième zone filtrante 32 de largeur 1 et présentant une longueur L2, la deuxième zone filtrante 33 étant en communication fluidique avec la zone intermédiaire 312 ; une zone de sortie 33 comprenant un canal d’éjection pour extraire hors du canal d’écoulement 3 le liquide 2 une fois filtré et un canal de sortie 33 de largeur 1 et présentant une longueur L3 et une hauteur Ho, la zone de sortie 33 étant en communication fluidique avec la zone intermédiaire 312.
[35] D’après [Fig 2] et [Fig 4], la première zone filtrante 31 comprend successivement à partir de la première couche 41 en un premier polymère thermodurcissable : une pluralité de plots 310 en un premier polymère thermodurcissable, les 310 présentant une hauteur Hi comprise entre 0,05 mhi et 30 mhi (de préférence entre 0,1 mhi et 5 mhi, et mieux entre 0,2 et 2 pm) et étant régulièrement espacés d’une distance di comprise entre 1 et 500 pm, une deuxième couche 311 continue et uniforme en un deuxième polymère thermodurcissable, identique ou différent du premier polymère thermodurcissable, la deuxième couche 311 comprenant une première partie 3110 soutenue par lesdits plots 310 de largeur 1, de longueur Li et d’épaisseur ei = H0-H1, et une deuxième partie 3111 disposée sur la première partie 3110 de largeur 1 , de longueur Li + Lo et d’épaisseur e’i comprise entre 2 mm et 3 mm, la deuxième partie 3111 se prolongeant dans ladite zone d’entrée 30 de manière à en recouvrir le canal d’entrée.
[36] D’après [Fig 2] et [Fig 5], la deuxième zone filtrante 32, présente une largeur 1 et une longueur L2. La deuxième zone filtrante 33 est communication fluidique avec la zone intermédiaire 312 et 1 la zone de sortie 33, la deuxième zone filtrante 32 comprenant successivement à partir de la première couche 41 en premier polymère thermodurcissable : une pluralité de plots 320 comprenant un premier polymère thermodurcissable, les présentant une hauteur ¾ comprise entre 0,05 mhi et 10 mhi et étant régulièrement espacés d’une distance d2 comprise entre 1 et 500 mhi, une deuxième couche 321 continue et uniforme comprenant un deuxième polymère thermodurcissable, identique ou différent du premier polymère thermodurcissable, ladite deuxième couche 32) comprenant une première partie 3210 soutenue par lesdits plots (320) et présentant une largeur 1, une longueur L2 et une épaisseur e2 = H0-H2, et une
deuxième partie 3211 disposée sur la première partie 3210 et présentant une largeur 1, une longueur L2+L3 et une épaisseur e’2 = e’i.
[37] Les figures [Fig 6] à [Fig 12] illustrent les différentes étapes de réalisation d’une zone filtrante d’un canal d’écoulement d’une puce microfluidique selon l’invention telle que représentée sur les figures [Fig 2] à [Fig 5] conformément à deux modes de réalisation du procédé selon l’invention.
[38] Selon un premier mode de réalisation du procédé de fabrication d’une puce microfluidique selon l’invention, la zone filtrante telle que schématisée sur [Fig 6] est réalisée comme suit selon un procédé dit de lithographie douce :
A) dépôt par étalement puis centrifugation, sur une première plaquette 50 en verre ou en silicium de largeur 1, d’une couche d’une composition de première résine photosensible 51 d’épaisseur Hi comprise 0,05 miti et 20 mhi, la première résine photosensible étant une résine négative si l’on souhaite déposer une épaisseur de résine Hi comprise entre 0,05 mhi et 0,5 pm ou une résine positive si l’on souhaite déposer une épaisseur de résine Hi comprise entre 0,5 pm et 20 pm ; cette étape est illustrée par le schéma situé du côté gauche de [Fig 7] ;
B) dépôt par étalement puis centrifugation, sur une deuxième plaquette 60 en verre ou en silicium de largeur l, d’une couche d’une deuxième résine photosensible positive 61 d’épaisseur ei comprise entre 20 pm et 100 pm (cette étape est illustrée par le schéma situé du côté droit de [Fig 7]) ;
C) évaporation par chauffage du ou des solvants contenus dans ladite composition de première résine photosensible et dans ladite composition de deuxième résine photosensible (étape non représentée sur les figures) ;
D) disposition sur la couche de première résine photosensible 51 d’un premier masque de longueur Li comprenant un motif sous forme d’une pluralité d’ouvertures (étape non représentée sur les figures) ;
E) disposition sur la couche de deuxième résine photosensible 61 d’un deuxième masque comprenant une ouverture unique disposée au centre de la ladite couche de deuxième résine photosensible 61, sur une bande de largeur 1 et de longueur Li (étape non représentée sur les figures),
F) exposition de chacune des zones des couches de première résine photosensible 51 et de deuxième résine photosensible 61 non couvertes par les premier et deuxième masques respectivement, à des rayonnements de longueur d’onde inférieure à 450 nm, de manière qu’au niveau des zones ainsi exposées la deuxième résine photosensible positive soit
ramollie et que la première résine photosensible soit ramollie s’il s’agit d’une résine positive ou durcie s’il s’agit d’une résine négative (étape non représentée sur les figures);
G) enlèvement des premier et deuxième masques des première et deuxièmes plaquettes 50, 60 ainsi revêtues et traitées, qui sont ensuite introduites dans un bain de développement, de manière à éliminer toutes les parties ramollies exposées aux UV de la deuxième résine et le cas échéant de la première résine s’il s’agit d’une résine positive, et la partie non durcie et non exposée aux UV de la première résine s’il s’agit d’une résine négative (étape non représentée sur les figures) ;
H) obtention d’un premier moule 5 consistant en une première plaquette 50 revêtue d’une couche de première résine photosensible 51 comprenant des creux de hauteur Hi au centre de la ladite couche de première résine photosensible 51, sur une bande de largeur 1 et de longueur Li, et obtention d’un deuxième moule 6 consistant en une deuxième plaquette 60) revêtue d’une couche de deuxième résine photosensible 61 comprenant une ouverture centrale non recouverte d’épaisseur el sur une bande de largeur 1 et de longueur Li (étape non représentée sur les figures);
I) introduction de chacun des moules 5, 6 dans un récipient et mise en forme par moulage, dans chacun de ces moules 5, 6 d’un premier polymère thermodurcissable à l’état liquide, de manière à se conformer à la forme du moule et du récipient dans lequel est déposé chaque moule 5, 6 ; puis chauffage à une température comprise entre 60 et 80°C pour obtenir dans le premier moule 5 une première partie solidifiée 5’ correspondant à la première couche 41 munie de la pluralité de plots 310 de la première zone filtrante 31, et dans le deuxième moule 6 une deuxième partie solidifiée 6’ correspondant à une deuxième couche 311 (étape non représentée sur les figures) ;
J) enlèvement hors des premier et deuxième moules 5, 6 de la première partie solidifiée 5’ et de la deuxième partie solidifiée 6’ respectivement (cette étape est illustrée par [Fig 8]); puis
K) application de ladite première partie solidifiée 5’ sur un support en verre 41, et application de ladite deuxième partie solidifiée 6’ sur la première partie solidifiée 5’ (cette étape est illustrée par [Fig 9]) ;
L) exposition de l’ensemble ainsi formé à un plasma d’air faire adhérer ensemble la première partie solidifiée 5’ au support en verre 41 et la deuxième partie solidifiée 6’ à la première partie solidifiée 5’ (étape non représentée sur les figures).
[39] Dans ce premier mode de réalisation, on utilise avantageusement du PDMS à titre de polymère thermodurcissable.
[40] Selon un deuxième mode de réalisation du procédé de fabrication d’une puce micro fluidique selon l’invention, illustré par [Fig 9] à [Fig 12] l’étape K est remplacée par les sous-étapes alternatives suivantes :
K’) contremoulage du premier polymère thermodurcissable (notamment du PDMS) sur la première partie solidifiée 5’, puis chauffage à une température comprise entre 60 et 80°C, pour obtenir un contre -moule 5” (cette étape est illustrée par [Fig 10], partie A), que l’on sépare ensuite de la première partie solidifiée 5’ (cette étape est illustrée par [Fig 10], partie B) et que l’on introduit dans un récipient (étape non représentée sur les figures) ;
K”) mise en forme par moulage dans ledit contre -moule 5” d’un deuxième polymère thermodurcissable (notamment du NOA) à l’état liquide, de manière se conformer à la forme du contre-moule 5” et du récipient, puis chauffage à une température comprise entre 60 et 80°C pour obtenir une première partie solidifiée 5’ en un deuxième polymère thermodurcissable (notamment du NOA) (étape non représentée sur les figures) ;
L) application de la première partie solidifiée 5’ dans le contre moule 5” sur un support en verre 40 (la partie NOA étant appliquée sur le verre 40) (cette étape est illustrée par [Fig 11], partie C) , puis le contre moule 5” en PDMS est séparé de la partie 41 en NOA (cette étape est illustrée par [Fig 11], partie D) ; puis enfin application de lad= deuxième partie solidifiée 6’ sur la première partie solidifiée 5’ (cette étape est illustrée par [Fig 12]).
[41] Dans le deuxième mode de réalisation illustré sur [Fig 9] à [Fig 12], on utilise à titre de premier polymère thermodurcissable du PDMS, et à titre de deuxième polymère thermodurcissable une résine NOA. Mais il est également possible d’utiliser du NOA à titre de premier polymère thermodurcissable et du PDMS à titre de deuxième polymère thermodurcissable.
[42] [Fig 13] et [Fig 14] montrent que l’on peut réaliser au moins deux zones filtrantes en assemblant des morceaux de PDMS ou d’autres résines, sur lesquels sont lithographiés différentes parties des zones filtrantes, comme illustré sur ces figures. Dans ce mode de fabrication il est indispensable que la hauteur Ho dans la puce (hors zone de filtration) soit constante.
[43]
Sur les figures 13 et 14, on observe deux parties en PDMS ci-après désignées par A et B. La lere partie A permet deux étapes de filtration grossière micrométrique alors que la 2eme partie B permet la filtration plus fine à 150 nm puisque c’est la hauteur des plots cylindriques sur la figure 14. Ces deux parties sont assemblées après une étape d’alignement. La possibilité d’avoir plusieurs zones de filtration grossière permet d’éviter de former un gâteau de filtration dès la première zone de filtration grossière. On retient ainsi les très gros objets dans cette zone, alors que dans la zone suivante dans la direction de l’écoulement on va retenir les objets plus petits mais toujours micrométriques. Dans cet
exemple, la puce comporte deux zones filtrantes micrométriques, mais il est possible de réaliser une puce microfluidique selon l’invention présentant 5 à 10 zones de tailles différentes avec un espacement entre les pores compris entre 4 et 50 pm.
EXEMPLES
[44] EXEMPLE 1 : utilisation d’un premier exemple de puce microfluidique selon l’invention à 6 canaux d’écoulement pour la filtration d’un volume de 0,5 ml d’une suspension constituée de particules sphériques en polystyrène de deux tailles différentes (20 pm et 1 pm)
[45] On teste en filtration la puce microfluidique selon l’invention représentée sur les figures 13 et 14. [Fig 15] montre qu’il s’agit d’une puce microfluidique présentant 6 canaux d’écoulement (Schéma A). Chaque canal d’écoulement 3 constitue un filtre à double porosité, tel qu’illustré sur la photographie B de la figure 15. La [Fig 16]montre plus particulièrement une zone filtrante 31. constituant un filtre type « marche » où toutes les particules de la suspension à tester doivent passer sous un obstacle (constitués par les plots 310 de la zone filtrante 31) qui s’étend sur toute la largeur 1 du canal microfluidique 3. La hauteur des plots 310 est de 5 pm, ce qui correspond à la taille maximum des particules qui peuvent continuer leur chemin dans le canal au-delà de la zone filtrante 31. Il en est de même pour la deuxième zone filtrante 32.
[46] Cette puce (ou filtre) microfluidique a été testée avec une suspension de faible volume (0,5 ml) comportant des particules modèles se présentant sous forme de particules sphériques en polystyrène se répartissant en deux tailles différentes ; 20 pm et 1 pm.
[47] [Fig 16] montre que la filtration a été efficace avec la puce microfluidique testée (cf. schéma de droite), puisque toutes les grosses particules sont retenues. Cependant, avec ce filtre, il peut y avoir un risque de colmatage prématuré à l’entrée de la zone filtrante (cf. schéma de droite de [Fig 16]) lorsque les grosses particules se retrouvent en excès à l’entrée de la zone filtrante.
[48] EXEMPLE 2 : utilisation d’un deuxième exemple de puce microfluidique selon l’invention à 6 canaux d’écoulement pour la filtration d’un volume de 0,5 ml d’une suspension constituée de particules sphériques en polystyrène de deux tailles différentes (20 pm et 1 pm)
[49] On teste en filtration la puce microfluidique selon l’invention dont un canal d’écoulement est représenté sur [Fig 17]. Ce dernier se différencie du canal d’écoulement représenté sur [Fig 17] par
la présence, dans la première zone filtrante 31, d’un couloir muni d’un convergent et d’un divergent en série (disposés dans le sens de l’écoulement du liquide, dont l’espacement et la forme favorisent la capture des particules plus grosses que 5 pm). Le couloir est disposé entre les plots de la zone filtrante 31. [50] Cette puce microfluidique a été testée avec la même suspension de particules sphériques en polystyrène qu’à l’exemple 1.
[51] Dans cette configuration, l’ensemble des particules de la suspension à filtrer a tendance à passer dans le couloir plutôt que sous la marche de la zone filtrante 31, car la résistance hydrodynamique liée à l’écoulement y est plus faible. Les grosses particules continuent ensuite à s’accumuler dans les couloirs, permettant de la sorte de retarder, voire même d’éviter le colmatage total de la zone filtrante au niveau des plots 311, tout en permettant en même temps le passage des plus petites particules sous ces obstacles. Par conséquent, avec ce deuxième exemple de filtre microfluidique selon l’invention, on limite significativement le colmatage, en le localisant, ainsi que G auto-filtration des plus petites particules par les grosses.
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Claims
[Revendication 1] Puce micro fluidi que (1) convenant à la mise en œuvre d’un procédé de filtration d’un liquide contenant des particules (20, 21) en suspension, ladite puce micro fluidi que (1) comprenant au moins un canal d’écoulement (3) pour recevoir ledit liquide (2) à filtrer, ledit canal (3) d’écoulement présentant une largeur 1 et une longueur L et comprenant un support lisse (40) en matériau minéral, ledit support lisse (40) en matériau minéral étant revêtu d’une première couche (41) continue et uniforme en un premier polymère thermodurcissable, chaque canal d’écoulement (3) comprenant :
- une zone d’entrée (30) comprenant un canal d’injection (300) pour introduire ledit liquide (2) à filtrer dans ledit canal d’écoulement (3) et un canal d’entrée (301) de largeur 1, de longueur Lo et de hauteur Ho,
- au moins une première zone filtrante (31), de largeur 1 et présentant une longueur Li, ladite première zone filtrante (31) étant en communication fluidi que avec ladite zone d’entrée (30),
- une zone de sortie (33) comprenant un canal d’éjection pour extraire hors dudit canal d’écoulement (3) ledit liquide (2) une fois filtré et un canal de sortie (33) de largeur 1 et présentant une longueur L3 et une hauteur Ho, ladite zone de sortie (33) étant en communication fluidique avec ladite au moins première zone filtrante (31), ladite puce micro fluidi que (1) étant caractérisée en ce que ladite première zone filtrante (31) comprend successivement à partir de ladite première couche (41) en un premier polymère thermodurcissable:
- une pluralité de plots (310) en un premier polymère thermodurcissable, lesdits plots (310) présentant une hauteur Hi comprise entre 0,05 mhi et 30 mhi et étant régulièrement espacés d’une distance di comprise entre 1 et 500 pm,
- une deuxième couche (311) continue et uniforme en un deuxième polymère thermodurcissable, identique ou différent du premier polymère thermodurcissable, ladite deuxième couche (311) comprenant une première partie (3110) soutenue par lesdits plots (310) de largeur 1, de longueur Li et d’épaisseur ei = H0-H1, et une deuxième partie (3111) disposée sur ladite première partie (3110) de largeur 1 , de longueur Li + Lo et d’épaisseur e’i comprise entre 2 mm et 3mm, ladite deuxième partie (3111) se prolongeant dans ladite zone d’entrée (30) de manière à en recouvrir ledit canal d’entrée (301), ladite puce micro fluidique (1) étant caractérisée en ce que chaque canal d’écoulement (3) comprend en outre, entre ladite première zone filtrante (31) et ladite zone de sortie (33) :
- une zone intermédiaire (312) comprenant un canal intermédiaire (3120) présentant une largeur 1, une longueur Lu et une hauteur Ho, ladite zone intermédiaire (312) étant en communication fluidique avec ladite première zone filtrante (31), et
- une deuxième zone filtrante (32), de largeur 1 et présentant une longueur L2, ladite deuxième zone filtrante (33) étant en communication fluidique avec ladite zone intermédiaire (312) et ladite zone de sortie (33), ladite deuxième zone filtrante (32) comprenant successivement à partir de ladite première couche (41) en premier polymère thermodurcissable :
- une pluralité de plots (320) comprenant un premier polymère thermodurcissable, lesdits plots (320) présentant une hauteur ¾ comprise entre 0,05 mhi et 10 mhi et étant régulièrement espacés d’une distance d2 comprise entre 1 et 500 mhi,
- une deuxième couche (321 ) continue et uniforme comprenant un deuxième polymère thermodurcissable, identique ou différent du premier polymère thermodurcissable, ladite deuxième couche (321) comprenant une première partie (3210) soutenue par lesdits plots (320) et présentant une largeur 1, une longueur L2 et une épaisseur e2 = H0-H2, et une deuxième partie (3211) disposée sur ladite première partie (3210) et présentant une largeur 1, une longueur L2+L3 et une épaisseur e’2 = e’i.
[Revendication 2] Puce micro fluidique (1) selon la revendication 1, dans laquelle la hauteur Hi desdits plots (310) est comprise entre 0,1 pm et 5 mhi, de préférence entre 0,2 et 2 mhi.
[Revendication 3] Puce micro fluidique (1) selon la revendication 2, dans laquelle la hauteur ¾ desdits plots (310) est comprise entre 0,05 pm et 1 pm.
[Revendication 4] Puce micro fluidique (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle les premier et deuxième polymères thermodurcissables sont identiques, et de préférence constitués de PDMS.
[Revendication 5] Puce microfluidique (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle les premier et deuxième polymères thermodurcissables sont différents, et de préférence le premier polymère thermodurcissable est une résine photopolymérisable et le deuxième polymère thermodurcissable est du PDMS.
[Revendication 6] Puce micro fluidique (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle ladite première zone filtrante (31) et/ou ladite deuxième zone filtrante (32) comportent un
couloir muni d’un convergent pour permettre la capture des particules de diamètre compris entre 4 pm et 50 pm.
[Revendication 7] Puce micro fluidique (1) selon la revendication 6, dans laquelle ladite première zone filtrante (31) et/ou ladite deuxième zone filtrante (32) comportent en outre un divergent disposé en série en aval dudit convergent, dans le sens de l’écoulement du un liquide (2) dans ladite puce micro fluidique (1).
[Revendication 8] Utilisation de la puce microfluidique (1) telle que définie selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, pour la séparation de particules de différentes tailles dans des solutions colloïdales.
[Revendication 9] Utilisation selon la revendication 8, dans laquelle les particules présentent des tailles variant entre 0,05 pm et 20 pm.
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR3110568A1 (fr) | 2021-11-26 |
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