Projet ANR-11-JS08-0004 – GELTHINFILM : Films Minces d'Hydrogels Stimulables pour la Microfluidique
Programme : JCJC - SIMI 8 - Chimie du solide, colloïdes, physicochimie (JCJC SIMI 8)
Année de financement : 2011
Coordinateur du projet : Madame Yvette TRAN (REGIE ECOLE SUPERIEURE DE PHYSIQUE ET CHIMIE INDUSTRIELLES - ESPCI)
Partenaires : Sciences et Ingénierie de la Matière Molle
Montant : 170040.0 euros
Durée : 48 mois
Résumé : Films Minces d’Hydrogels Stimulables comme Microvannes pour la MicrofluidiqueDéveloppement de films minces de gels de polymères stimulables (température, lumière et champ électrique). Applications comme microvannes pour contrôler les écoulements hydrodynamiques en microfluidique.
Développement de microvannes fluidiques autonomes, individuelles et de haute densité.Contexte. Les microvannes existantes (vannes Quake) sont à fonctionnement pneumatique, elles requièrent un équipement extérieur coûteux et encombrant, il est nécessaire de développer des microvannes simples autonomes.Objectif général. On cherche à développer des microvannes mécaniques à base de gels de polymères stimulables intégrés dans les microcanaux. Ces vannes fonctionnent de manière autonome. Elles peuvent répondre à diverses paramètres de stimulation tels la température, la lumière ou encore le champ électrique. On pourra ainsi piloter les écoulements de fluide dans un microcanal ou un laboratoire-sur-puce simplement en changeant la température, en éclairant avec la lumière ou en appliquant une tension électrique.Problèmes traités. On contrôle la synthèse des gels grâce à une extériorisation de la synthèse des gels à la microfabrication. On développe une stratégie de synthèse avec une chimie click simple à mettre en œuvre qui permet d’obtenir des gels avec toute une variété de paramètres de stimulation. On peut obtenir des gels localisés, ce qui permet d’élaborer des microvannes individuelles et multiples de haute densité.Perspectives et retombées. Le projet pourra avoir un impact considérable dans le développement de laboratoires-sur-puce.
Utilisation des films minces de gels de polymères stimulablesOn développe la synthèse de films minces de polymères stimulables grâce à la chimie click thiol-ène. L’approche permet d’obtenir en toute simplicité toute une variété de polymères avec différents paramètres de stimulation. Pour la température, on utilise un polymère à LCST (Lower Critical Solution Temperature). Pour la lumière, on greffe sur le polymère à LCST un azobenzène sensible à la lumière qui permet un décalage de la LCST. Pour le champ électrique, on utilise un polyélectrolyte. L’approche permet également d’obtenir les films sur une très large gamme d’épaisseurs du nm aux microns adaptée à la microfluidique.Les films de gels une fois synthétisés et bien contrôlés sont intégrés dans les microcanaux fluidiques pour servir de microvannes mécaniques. On a montré qu’il est possible de localiser le greffage de ces gels pour envisager des microvannes individuelles et multiples de haute densité.
Résumé de la soumission : Les hydrogels stimulables sont des matériaux intéressants pour de nombreuses applications grâce à leur changement important de volume (réversible) en absorbant ou expulsant l’eau qu’ils contiennent. Les hydrogels peuvent répondre à de stimuli variés tels que le pH, la concentration de sel, la température, la lumière, le champ électrique ou magnétique. Toutefois, la transition de phase gonflement/effondrement des gels macroscopiques est un processus limité par la diffusion. La solution est de réduire la taille des échantillons en films minces pour avoir des structures avec des temps de réponse courts. On dispose ainsi de films minces de gels avec des fonctions et des propriétés stimulables multiples, sans perdre de leur stabilité mécanique, grâce à leur structure de réseau 3D réticulé. Les films minces d’hydrogels que nous nous proposons d’étudier sont des réseaux chimiques greffés par liaison covalente à la surface. Leur taille peut varier du nanomètre à la centaine de microns. Les atouts de ces films peuvent être exploités dans la fabrication de systèmes miniaturisés à réponse rapide. Un gel stimulable intégré dans un canal microfluidique peut avoir une fonction de vanne qui ouvre ou ferme le microcanal aux écoulements hydrodynamiques. Des vannes « intelligentes » à base d’hydrogels permettent de se dispenser de systèmes de contrôle externe encombrants et de créer des laboratoires-sur-puce faciles à manier et autonomes.   Le projet s’intègre bien dans ce cadre et propose de se focaliser sur trois aspects :   1) Développement des films minces d’hydrogels greffés en surface. Parmi les stimuli externes possibles, nous avons choisi d’étudier des gels sensibles à la température, la lumière ou le champ électrique. La stratégie adoptée, très simple, permet de faire varier facilement les fonctions chimiques des polymères et ainsi les propriétés stimulables des gels. Le principe est basé sur la chimie du thiol-ène. On formera les films de gels greffés en ajoutant les dithiols comme réticulants chimiques, aux polymères rendus réactifs avec des fonctions diène, sur des surfaces fonctionnalisées par du thiol. L’objectif est d’obtenir des films avec une large gamme d’épaisseurs et possédant les propriétés stimulables souhaitées.   2) Structure des films minces d’hydrogels greffés en surface. L’étude structurale de ces films minces aborde un aspect fondamental des systèmes confinés et contraints. Quel est l’effet du confinement sur le gonflement des films d’hydrogels ? Comment la contrainte du greffage affecte-t-elle la surface libre des gels ? Trois volets seront examinés : le degré de gonflement linéaire des films d’hydrogels (par ellipsométrie), la largeur de l’interface (par réflectivité de neutrons) et les aspects de rides (par AFM) de la surface libre des hydrogels.   3) Applications microfluidiques des films minces d’hydrogels comme microvannes. Il s’agit de la conception des films minces d’hydrogels en microfluidique comme actionneurs de vannes mécaniques. Nous intégrerons les surfaces modifiées par les couches de gels dans les systèmes miniaturisés et nous testerons leur fonction comme vannes. L’utilisation de la lumière et du champ électrique comme paramètres de stimulation est innovante car elle permet de produire des microvannes à réponse rapide que l’on peut actionner en toute simplicité. Ces formes de stimulation sont aussi compatibles avec des procédés de « patterning ». Cette voie est très prometteuse pour le développement de « laboratoires-sur-puce » de plus en plus performantes.   Le point fort de ce projet réside dans une étude complète des films d’hydrogels stimulables, qui couvre le champ d’une synthèse bien contrôlée et une caractérisation structurale détaillée à une application concrète en microfluidique. Ce projet multidisciplinaire offre la possibilité d’aborder la chimie des polymères, des aspects fondamentaux de la physique sur les systèmes confinés ainsi que des concepts innovants dans l’ingénierie microfluidique.
Résultats : Résultats majeurs
•	Développement de la synthèse des polymères stimulables. La stratégie de synthèse a été adoptée avec succès, elle a permis de développer des polymères thermostimulables, notamment des polymères à LCST avec différentes températures de transition et des polymères à UCST pour des applications biologiques. 
•	Synthèse par réaction thiol-ène activable thermiquement et par irradiation UV. Nous avons montré que les films peuvent être obtenus par activation thermique et également par photoactivation (ce point n’était pas prévu au départ). L’irradiation sous UV permet ainsi de rendre possible le greffage localisé (patterning)
•	Microvannes stimulables par la température. Nous avons montré la faisabilité des microvannes thermosensibles. Nous développons des circuits avec des microvannes de haute densité. Nous nous intéressons aux applications biologiques des microvannes.
•	Fabrication de films de gels à architecture diverse et contrôlée. Nous avons utilisé la stratégie de synthèse des films de gels simple réseau pour développé de nouveaux films avec des architectures diverses (multicouches, réseaux interpénétrés et réseaux hybrides).
Perspectives : Applications microfluidiques. De nombreuses applications exploitant la technologie microvannes par les films de gels stimulables sont envisagées dans le domaine de la biologie (digital PCR, cellules uniques, microbiologie…).
Nouvelles recherches. Nous cherchons à développer de nouveaux matériaux fonctionnels, notamment des revêtements avec des propriétés mécaniques renforcées et aussi des multicouches pour l’optique (miroir de Bragg).
Publications et brevets : Un brevet a été déposé. Une start-up Microfactory a été créée par les partenaires de Gulliver Patrick Tabeling et Fabrice Monti pour développer entre autres les microvannes.
Un article est soumis. D’autres articles sont en préparation.