PDMS et la microfluidique

Introduction sur le PDMS

PDMS

Le Polydiméthylsiloxane appelé PDMS ou diméthicole est un polymère très utilisé pour la fabrication et le prototypage de puces microfluidiques.

C’est un polymère organo-minéral (une structure contenant du carbone et du silicium) de la famille des siloxanes (mot dérivé de silicium, oxygène et alkane). En dehors de la microfluidique il est utilisé comme additif alimentaire (E900), dans les shampoings, comme anti-moussant dans les boissons ou dans les huiles lubrifiantes.

Pour la fabrication de dispositif microfluidiques, le PDMS (liquide) mélangé à un agent réticulant est versé sur un moule microstructuré et chauffé afin d’obtenir une réplique du moule en élastomère (PDMS réticulé).

Un peu de chimie du PDMS

PDMS formula

Un petit peu de chimie

Un peu de chimie nous permettra de mieux comprendre les avantages et inconvénient du PDMS pour les applications microfluidiques :

La formule brute du PDMS est la suivante : (C2H6OSi)n et sa  formule éclatée est CH3[Si(CH3)2O]nSi(CH3)3, n étant le nombre de répétition du monomère.

En fonction de la taille de la chaine de monomère, le PDMS non réticulé pourra être presque liquide (n faible) ou semi solide (n grand). Les liaisons siloxane permettent d’obtenir une chaine de polymère flexible avec un haut niveau de viscoélasticité.

Après réticulation

Le PDMS devient un élastomère hydrophobe. Ainsi les solvants polaires comme l’eau ont du mal à mouiller le PDMS (l’eau forme des gouttes et ne s’étale pas) et conduit à l’adsorption des contaminants hydrophobes présents dans l’eau à la surface du PDMS.

Oxydation du PDMS

Une oxydation du PDMS, à l’aide d’un plasma, modifie la chimie de surface du PDMS et produit des terminaisons silanol (SiOH) à sa surface. Ceci permet de rendre le PDMS hydrophile pendant un trentaine de minutes,. Ce procédé rend également la surface résistante à l’adsorption de molécules hydrophobes et chargées négativement. De plus l’oxydation plasma du PDMS permet de fonctionnaliser la surface du PDMS avec des trichlorosilane ou de coller le PDMS de manière covalente (à l’échelle atomique) sur une surface de verre également oxydée grâce à la création de liaison Si-O-Si.

Que la surface du PDMS soit oxydée au plasma ou non il ne laisse pas l’eau, le glycérol, le méthanol ou l’éthanol s’infiltrer et le déformer. Ainsi il est possible d’utiliser le PDMS avec ces liquides sans craindre de déformation des micro-structures. Par contre le PDMS se déforme et gonfle en présence de diisopropylamine, de chloroforme et d’éther et dans une moindre mesure en présence d’acétone, de propanol et de pyridine.

Le PDMS en 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.

La puce est maintenant prête à être connectée aux réservoirs microfluidiques et pompes en utilisant des tubes microfluidiques. Les tubes en Tyong et Teflon sont les plus couramment utilisés pour les montages microfluidiques.

Si vous n’êtes pas sûr de comment choisir les tubes appropriés pour votre installation, vous pouvez consulter notre tutoriel dédié: Basics of microfluidic tubing & sleeves et How to choose a microfluidic tubing

Pourquoi utiliser le PDMS pour la fabrication de dispositifs microfluidiques?

Le PDMS a été choisit comme matériau pour la fabrication de puces microfluidiques principalement pour les raisons suivantes :

Lung-on-a-Chip_resizedCellules épithéliales humaines alveolaires et cellules endothéliales microvasculaires pulmonaires cultivées dans une puce en PDMS pour imiter les fonctions pulmonaires.

  • Le PDMS est transparent aux fréquences optiques (240nm-1100nm), ce qui facilite l’observation du contenu des microcanaux visuellement ou sous microscope.
  • Le PDMS à une autofluorescence faible [2]
  • Le PDMS est considéré comme biocompatible (avec certaines restrictions).
  • Le PDMS se colle de manière étanche sur du verre ou sur une autre couche de PDMS avec un simple traitement plasma. Ceci permet de fabriquer des dispositifs en PDMS multicouche et de profiter des possibilités technologiques du substrat verre comme l’utilisation des dépôts métalliques, de dépôt d’oxyde ou de fonctionnalisation de surface.
  • Le PDMS en cours de réticulation peut être étalé avec une épaisseur contrôlée sur un substrat à l’aide d’une simple tournette. Ceci permet de réaliser des dispositifs multicouches et d’intégrer des micro-vannes.
  • Le PDMS est déformable ce qui permet d’intégrer des vannes microfluidiques en utilisant la déformation des canaux, la connexion facile et sans-fuite de connecteurs microfluidiques et son utilisation pour détecter de très faibles forces comme les interactions biomécaniques de cellules.
  • Le PDMS est faible coût comparé aux matériaux utilisés précédemment (comme le silicium).
  • Le PDMS est facile à mouler, car même une fois mélangé au réticulant le PDMS reste liquide à température ambiante pendant de nombreuses heures. Le PDMS peut mouler des structures de hautes résolutions. Avec quelques optimisations, il est possible de mouler des structures de quelques nanomètres. [3]
  • Le PDMS est perméable aux gaz. Ceci permet d’effectuer des cultures cellulaires en contrôlant la quantité de gaz à travers le PDMS ou de remplir des canaux sans sortie (la bulle d’air résiduelle sous la pression du liquide peut s’échapper à travers le PDMS pour s’équilibrer avec la pression atmosphérique).

Les problèmes du PDMS pour les applications microfluidiques sont les suivants :

Microfluidic chip made of PDMS/glass with electrodes

Electrodes déposées sur le verre pour être intégrées dans une puce microfluidique en PDMS

  • Il est quasiment impossible d’effectuer des dépôts métalliques et des dépôts de diélectrique sur le PDMS. Ceci limite fortement l’intégration d’électrode et de résistance. Néanmoins ce problème est minimisé par le fait que le PDMS se colle facilement sur une lamelle de verre à l’aide d’un traitement plasma, même si une large surface métallique peut empêcher un bon collage. Ainsi les différents dépôts de couches minces métalliques ou diélectrique peuvent être effectués sur la lamelle de verre.
  • Le PDMS est un matériau qui vieillit, au bout de quelques années les propriétés mécaniques de ce matériaux peuvent être modifiées.
  • Le PDMS adsorbe entre autres les molécules hydrophobe et peut relarguer dans le liquide ambiant certaines molécules issus d’une mauvaise réticulation. Ceci peut être gênant pour certaines études biologiques dans des dispositifs microfluidique en PDMS.
  • Le PDMS est perméable à la vapeur d’eau ce qui rend difficile le contrôle de l’évaporation dans les dispositif en PDMS.
  • Le PDMS est sensible à l’exposition à certains produits chimiques (voir plus bas).

 

Les différents PDMS utilisés en microfluidique

Puce croppedPuce microfluidique en PDMS

Le PDMS est utilisé pour la fabrication des dispositifs microfluidiques (simple couche et bicouche) et des tampons de micro-imprint. Deux types de PDMS sont couramment utilisés par les chercheurs pour ces applications: le PDMS RTV-615 et le PDMS Sylgard 184. La composition exacte des ces deux PDMS est… gardée secrète. Cependant, l’expérience des chercheurs du domaine peut aider à choisir le PDMS le plus adapté a une application [4] :

1) PDMS RTV-615

  • Le PDMS préféré de S. Quake (Co-inventeur de la vanne microfluidique)
  • Le plus robuste et le plus facile pour le collage de dispositifs microfluidiques bicouches
  • A la réputation d’être sale. (Par exemple Fluidigm à jeté 90% du RTV-615 reçu)
  • Variabilité dans la résistance du collage plasma en fonction des lots. Ce qui oblige à régler les paramètres de collage à chaque achat.

2) PDMS Sylgard 184 (Dow Corning):

  • Le plus propre des deux
  • Moins souvent utilisé pour le multicouche
  • Rend plus difficile les collages entre deux couches de PDMS.
  • Plus d’échecs lors de la fabrication des dispositifs.
  • PDMS le plus souvent utilisé dans le culture de cellules de mammifères dans des puces microfluidiques.

 Résistance chimique du PDMS

Vous trouverez ci-dessous une étude sur l’immersion de PDMS microstructuré (h :11µm ,L: 45µm) dans différents produits chimiques [5], cette étude à été effectué avec du PDMS Sylgard 184.

Resistance chimique_resized(Légende : No: aucun effet sur les microstructures, Total: destruction complète des microstructures)

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Pour plus de tutoriaux sur la microfluidique, vous pouvez 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).

[2] Piruska, A.; Nikcevic, I.; Lee, S. H.; Ahn, C.; Heineman, W. R.; Limbach, P. A.; Seliskar, C. J. Lab Chip (2005), 5, 1348-54.

[3] Hua, F.; Sun, Y.; Gaur, A.; Meitl, M. A.; Bilhaut, L.; Rotkina, L.; Wang, J.; Geil, P.; Shim, M.; Rogers, J. A. Nano letters (2004), 4, 2467-2472.

[4] From James M. Spotts 2008 Microfluidics Course Institute for Systems Biology November 17, 2008

[5] Characterization of Polydimethylsiloxane (PDMS) Properties for Biomedical Micro/Nanosystems, Biomedical Microdevices 7:4, 281–293, 2005