La microfluidique et les puces microfluidiques: revue

Une définition de la microfluidique

Puce cropped

La microfluidique est la science qui traite des écoulements de liquides dans des canaux de taille micrométrique. Il suffit qu’une dimension du canal soit de l’ordre du micromètre ou de la dizaine de micromètres pour que l’on commence à parler de microfluidique (voir la différence entre nanofluidique, microfluidique, millifluidique et le comportement des fluides à ces échelles). La microfluidique peut être considérée à la fois comme une science (études du comportement des fluides dans des micro-canaux) et une technologie (fabrication de dispositifs microfluidiques pour les laboratoires sur puces).

Qu’est-ce qu’une puce microfluidique ?

Microfluidic chip made of glass PDMS

Une puce microfluidique en PDMS/verre

Une puce microfluidique est un ensemble de micro-canaux gravés ou moulés dans un matériau (verre, silicium ou polymère tel que le PDMS pour PolyDiMethylSiloxane). Les micro-canaux constituant la puce microfluidique sont connectés entre eux de manière à réaliser une fonction voulue (mélanges, pompage, tri, contrôle de l’environnement bio-chimique).

Ce réseau de micro-canaux enfermé dans la puce microfluidique est relié à l’extérieur par des entrées et des sorties percées à travers la puce, comme des interfaces entre le monde macro et micro.

Ce sont par ces trous que les liquides (ou les gaz) sont injectés et évacués de la puce microfluidique (au travers de tubes, adapteurs à seringue ou même de simples trous dans la puce) avec des systèmes actifs extérieurs (contrôleur de pression, pousse-seringue ou pompe périlstatiques) ou des moyens passifs (e.g. pressions hydrostatiques).

Si les chercheurs peuvent maintenant choisir parmi un large éventail de matériaux pour construire leur puce microfluidique, il faut considérer qu’à l’origine, ce sont les procédés de fabrication des semi-conducteurs, et en particulier les procédés photolithographiques, qui ont permis les premiers développements de puces microfluidiques.

L’utilisation de matériaux comme les polymères (e.g. PDMS), céramiques (e.g. le verre), semi-conducteurs (e.g. silicium) et métaux est aujourd’hui possible grâce au développement de procédés spécifiques: déposition et électrodéposition, gravure, collage, moulage par injection, embossage et lithographie douce (en particulier avec le PDMS).

L’accès à ces matériaux a rendu possible la conception de puces microfluidiques aux propriétés inédites, comme des caractéristiques optiques spécifiques, des compatibilités biologiques ou chimiques, une possibilité de créer des prototypes plus rapidement, de diminuer les coût de production, la recherche d’applications précises comme la détection électrochimique, etc… Le choix final dépend de l’application visée.

De nos jours, beaucoup de chercheurs utilisent le PDMS pour sa simplicité d’usage et la facilité à établir des protocoles de fabrication contrôlés. Il permet de construire rapidement des prototypes et tester leurs applications ou montages expérimentaux, sans perdre de temps dans des procédés de fabrication long et fastidieux. Contrairement aux idées reçues, la lithographie douce ne nécessite pas des centaines de mètres carrés de salle blanche. En effet, une paillasse sous hotte chimique est suffisant pour placer l’essentiel des instruments pour le prototypage du PDMS afin de rapidement évaluer les concepts microfluidiques et obtenir des résultats publiables.

Naissance de la microfluidique

Les technologies développées pour miniaturiser les transistors et fabriquer les microprocesseurs ont permis de fabriquer des canaux de taille microscopique et de les intégrer sur des puces. Ainsi l’histoire de la microfluidique nous emmènera de la première expédition lunaire, passant de nos têtes d’imprimantes à nos hôpitaux.

histoire de la microfluidique replique du premier transistor

Le premier transistor (réplique)

Les années 50 ont connu l’invention et le développement des premiers transistors. Fabriqués dans des blocs de semi-conducteurs, ils ont progressivement remplacé les lampes longtemps utilisées dans la fabrication des appareils électroniques (radio, calculateur…)

histoire de la microfluidique le premier microprocesseur

Microprocesseur industriel

Dans les années 60, la recherche spatiale, via le programme Apollo doté d’une enveloppe de 25 milliards de dollars, a donné la possibilité de financer les programmes de recherche sur la miniaturisation des calculateurs pour permettre d’emmener ces derniers dans l’espace et en particulier sur la lune.

Le développement de technologies comme la photolithographie ont permis la miniaturisation et l’intégration de milliers de transistors sur des galettes de semi-conducteurs, principalement du silicium.

Ces recherches ont conduit à la fabrication des premiers circuits intégrés et avec eux, des premiers microprocesseurs.

histoire de la microfluidique MEMS.jpg

Un exemple de microsystème

Au cours des années 80, l’utilisation des procédés de gravure du silicium développés pour l’industrie microélectronique a permis de fabriquer les premiers dispositifs contenant des micro-éléments mobiles intégrés sur une galette de silicium.

Ces nouveaux types de dispositifs appelés MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) ont donné naissance à des applications industrielles, particulièrement dans le cadre des capteurs de pression et des têtes d’imprimantes.

puce microfluidique verre

Puce microfluidique en verre

Dans les années 90, de nombreuses recherches ont été menées pour appliquer les microsystèmes dans les domaines de la biologie, de la chimie et du biomédical. Ces applications nécessitant de contrôler des mouvements de liquides dans des microcanaux ont considérablement contribué au développement de la microfluidique.

Un important effort de recherche a été effectué pour le développement de laboratoires sur puces pour permettre l’intégration de la quasi totalité des opérations nécessaires pour un protocole biologique, chimique ou biomédical sur une simple puce microfluidique.

A cette époque, la majorité des dispositifs microfluidiques étaient encore fabriqués en silicium ou en verre et nécessitaient de ce fait les lourdes infrastructures de l’industrie microélectronique.

Microfluidic chip

Puce microfluidique en PDMS/verre

A partir des années 2000, les technologies basées sur le moulage de micro-canaux dans des polymères comme le PDMS ont connu un fort développement. La réduction des coûts et du temps de fabrication des dispositifs a permis à un grand nombre de laboratoires de mener des recherches en microfluidique.

De nos jours, des milliers de chercheurs travaillent dans la microfluidique pour permettre d’étendre son champs d’application notamment via les laboratoires sur puces pour les hôpitaux .

Technologie microfluidique: comment fabriquer une puce microfluidique

PDMS block

Les dispositifs microfluidiques actuels les plus simples sont constitués de microcanaux moulés dans un polymère qui est collé sur une surface plane (une lamelle de verre par exemple). Le polymère le plus utilisé pour le moulage de puces microfluidiques est le PDMS. Le PDMS est un élastomère transparent, biocompatible (très proche des gels silicones utilisé dans les prothèses mammaires), déformable, peu cher, facile à mouler et à coller sur du verre. C’est pour ces raisons qu’il est apprécié par les chercheurs du domaine.

La fabrication d’un puce microfluidique simple nécessite plusieurs étapes.

Nous décrirons ici la fabrication par moulage d’une puce microfluidique simple par lithographie douce [1].

masque microfluidique

Masque photolithographique sur substrat de verre avec chrome gravé

Le design des canaux microfluidique

La fabrication d’un dispositif microfluidique commence par le dessin des canaux sur un logiciel dédié (AUTOCAD, LEDIT, Illustrator …). Une fois ce dessin effectué, il est transféré sur un masque optique:  plaque de verre recouvert de chrome ou un film plastique pour la majorité des masques. Ceci peut être effectué avec des fabricants dédiés ou dans une salle blanche avec des masques en verre. Les microcanaux sont imprimés avec une encre opaque aux UV (si le support est un film plastique) ou gravés dans le chrome (si le support est une plaque de verre).

fabrication moule microfluidique

La fabrication du moule microfluidique par photolithographie

C’est au cours de cette étape que les dessins représentant les microcanaux sur le photomasque sont transformés en véritables microcanaux sur un moule. Les microcanaux fabriqués en relief sur le moule permettrons par la suite d’obtenir des répliques creusées dans le futur matériau de la puce microfluidique.

(1) Une résine est étalée sur un support plat (souvent une plaque de silicium) avec l’épaisseur voulue (qui déterminera la hauteur des canaux).

(2) La résine, protégée par le masque sur lesquels les canaux sont dessinés, est partiellement exposée aux UV. Ainsi (dans le cas d’une résine négative, type SU8) seule les parties représentant les canaux sont exposées aux UV et polymérisées, les autres parties du moule étant protégées par les zones opaques du masque.

(3) Le moule est développé dans un solvant qui détruit toutes les zones de résine qui n’ont pas été exposées aux UV.

(4) Nous obtenons ainsi un moule microfluidique avec une réplique en résine des motifs qui étaient présents sur le photomasque (les futurs microcanaux sont des “reliefs” sur le moule). La hauteur des canaux est déterminée par l’épaisseur originale de la résine étalée sur la plaque. La plupart du temps, le moule est ensuite traité avec du silane pour faciliter le détachement des composants microfluidiques durant les étapes de moulages (voir le prochain paragraphe).

moulage d'un dispositif microfluidique

Le PDMS est un matériau de prédilection pour le moulage de dispositifs microfluidiques.

Nous décrirons ici la fabrication par moulage d’une puce microfluidique en PDMS par technique de lithographie douce (soft lithography) [1].

(1) L’étape de moulage permet de fabriquer en série les puces microfluidiques à partir d’un moule.

(2): Un mélange de PDMS (liquide) et d’agent réticulant (permettant de durcir le PDMS) est versé sur le moule et placé dans un four.

(3): Un fois le PDMS durci, il peut être décollé du moule. Nous obtenons ainsi une réplique des microcanaux en PDMS.

Finition du composant microfluidique

(4): Pour permettre l’injection des fluides pendant les expériences futures, les entrées et sorties du dispositif microfluidique sont percés à l’aide d’une aiguille ou d’un emporte-pièce de la taille des futurs tubes exterieurs.

(5): Enfin la face du bloc de PDMS avec les microcanaux et le substrat de verre sont traitées aux plasmas O2

(6): Le traitement de la surface au plasma permet de coller le PDMS et le substrat de verre pour fermer la puce microfluidique.

puce microfluidique avec electrode

Intégration de fonctions complexes

De plus, bon nombre de dispositifs microfluidiques intègrent d’autres fonctionnalités qui nécessitent par exemple l’intégration d’électrodes, de nanostructures ou une fonctionnalisation de surface. Ce type d’étapes supplémentaires utilise généralement les techniques usuelles des micro et nanotechnologies (dépôt de couches minces, gravures plasma, auto-assemblage de monocouches).

Applications de la microfluidique

Les technologies microfluidiques ont trouvé de nombreuses applications principalement :

- Dans le biomédical, avec les laboratoires sur puces car ils permettent d’intégrer de nombreuses analyses médicales sur une même puce.

- En biologie cellulaire car les microcanaux ont la même taille caractéristique que les cellules et permettent par exemple la manipulation de cellules uniques et le changement rapide de drogues.

- En cristallisation de protéines car les dispositifs microfluidiques permettent de générer sur une même puce un très grand nombre de conditions de cristallisation (température, pH, humidité …)

Et également bien d’autre domaines : screening de drogues, testeurs de glycémie, microréacteur chimique, électrocbimie, refroidissement de microprocesseur (juste retour des choses) ou les micropiles à combustible.

Pour plus de tutoriaux sur la microfluidique, vous pouvez SVP consulter les autres tutoriaux ici: «Microfluidics tutorials». Les photos de cet article proviennent de la banque de données Elveflow® et de Wikipédia sauf si mentionné. Article écrit par Guilhem Velvé Casquillas et Timothée Houssin et révisé par Lauren Durieux.

[1] Xia, Y. & Whitesides, G. M. Soft Lithography. Angew. Chem. Int. Ed. 37, 550–575 (1998).

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