Brevet FR2909013A1 — publié le 20080530

PROCEDE DE REVETEMENT EN FILM MINCE L'invention concerne un procédé de revêtement en film mince à adhérence minimale vis-à-vis d'espèces biologiques. Les implants, les cathéters, les lentilles intraoculaires ou plus généralement tous bio-systèmes (bio-composants) nécessitent des surfaces non adhérentes à la matière biologique (non fouling) telles que les protéines, les lipides ou les cellules. En effet, les réactions à une interface solide-liquide, sont généralement complexes, multiples et spécifiques de la nature de l'espèce en présence. Dans tous ces cas, les réactions conduisent à une perturbation biologique localisée du milieu d'accueil se caractérisant par la formation d'une couche interfaciale entre l'objet étranger (l'implant, le cathéter, la lentille intraoculaire) et le milieu d'accueil (le corps, l'oeil). Contrôler l'activité de cette couche d'interface est nécessaire à l'équilibre de conditions compatibles entre matière et vivant (bio compatibilité). Les matériaux constitutifs des différents bio-systèmes sont généralement choisis pour leurs propriétés mécaniques, optiques, ou encore électriques mais ne sont la plupart du temps, pas ou peu biocompatibles. On a proposé, pour résoudre ce problème, de déposer une fine couche d'un matériau biocompatible, d'une épaisseur inférieure à 1 m, sur le bio-système. La démarche communément adoptée à ce jour consiste à tenter d'incorporer une fonctionnalité -000H (acide carboxylique) présente dans un précurseur de départ du matériau final. En effet, les matériaux à adhérence minimale vis-à-vis d'espèces biologiques présentent en général un groupement COOH. Leur dépôt peut être réalisé par plasma à l'aide d'un précurseur présentant déjà le groupement COOH qui peut s'écrire sous la forme X-COOH. La technique du plasma permet de casser quelques liaisons dans le précurseur X, ce qui va permettre l'accrochage de matériau sur le support voulu. 2909013 2 Mais la liaison essentielle entre le précurseur X et le groupement COOH est fragile : le plasma ne doit pas la détruire. On est donc limité en puissance de plasma. Comme conséquence, les matériaux obtenus ne sont plus 5 réticulés : ils présentent de mauvaise résistance mécanique et chirnique. On est également limité dans ce procédé sur le choix du précurseur et donc de la matrice finale, et donc sur les propriétés autres que la non adhérence. Ainsi, on a proposé de réaliser des revêtements en polyéthylène oxyde/polyéthylène glycol qui est le matériau biocompatible de 10 référence. Il peut être déposé en film mince par plasma ou pair greffage ou encore par différents procédés chimiques en phase liquide. Le problème de ces types de traitements réside dans le fait qu'ils ne sont pas compatibles avec la plupart des technologies de la microélectronique et donc ne conviennent pas à la réalisation de bio- 15 composants intégrés en raison d'un dépôt non conforme, et/ou d'une faible adhésion et/ou de la complexité du procédé mis en oeuvre. On a alors proposé de réaliser un revêtement en PEO-like par polymérisation par plasma. Le PEO-like est un polyéthylène oxyde ayant une composition légèrement différente du polyéthylène oxyde obtenu par 20 synthèse en phase liquide. Mais, à nouveau, le problème majeur rencontré est la nécessité de conserver la fonctionnalité de départ (généralement l'oxyde d'éthylène EO (-CH2-CH2-O)ä). Cette contrainte oblige, dans ce cas également, à utiliser des plasmas de très faible puissance menant à la réalisation de dépôts, certes 25 biocompatibles, mais, une fois encore, pas ou très peu réticulés. Par ailleurs, on connaît un procédé de gravure de matières organiques dans lequel l'eau est injectée dans un plasma (E.J. Tonnis & al. J. Vac. Sci. Technol. A18.2., Mar/Apr 2000). En effet, la molécule H2O mène à la formation de radicaux OH- particulièrement efficaces pour la gravure des 30 matières organiques. Son utilisation dans un procédé de dépôt organique était donc considérée comme rédhibitoire dans l'art antérieur. 2909013 3 Pour résumer, les procédés de dépôts de films minces biocompatibles de l'art antérieur mènent à des dépôts présentant de nombreux désavantages parmi lesquels on peut citer : une faible résistance mécanique, 5 - une faible stabilité dans le temps (vieillissement), une faible résistance aux solvants organiques, la manipulation et le rejet de précurseurs néfastes pour l'environnement et dangereux pour l'être humain, une nature de la matrice imposée par le précurseur 10 comprenant la fonctionnalité -COOH. S'il est aujourd'hui possible de s'accommoder des quatre premiers désavantages, il reste toutefois un point dur non contournable qui est la nature de la matrice et donc les propriétés physiques générales du dépôt. La présente invention résout ce problème en permettant la 15 fonctionnalisation in situ, c'est-à-dire lors de la réalisation du revêtement, de n'importe quel type de matrice. Il devient ainsi possible de choisir un matériau pour ses propriétés, par exemple optiques, et de lui ajouter une fonctionnalité de non adhérence (non-fouling). Ainsi, l'inyention concerne un procédé de fonctionnalisation d'un 20 film mince en cours de croissance par des fonctions -COOH pour, en particulier, la réalisation de surface non adhérente ou à adhérence minimale à la matière biologique, (non-fouling). L'invention repose sur le principe de la décomposition chimique en phase vapeur d'un précurseur carboné, ne comportant pas de fonctionnalité 25 ûCOOH, en présence de vapeur d'eau. La décomposition chimique est de préférence activée par plasma comme vecteur d'énergie. Ce plasma peut par exemple être du type radiofréquence, basse fréquence, ECR (Electron Cyclic Resonance), ICP (Inductively Coupled Plasma), DBD (Dielectric Barrier Discharge). 30 Cependant, l'emploi de chaleur, et/ou d'ondes et/ou de radiations, et/ou de plusieurs de ces sources d'énergie, éventuellement en combinaison avec le plasma, fait également partie de l'invention. 2909013 4 Ainsi, dans le procédé de l'invention, un mélange gazeux, composé d'au moins un gaz précurseur carboné comprenant au moins un atome de carbone et de la vapeur d'eau, est utilisé. Bien entendu, plusieurs précurseurs carbonés peuvent être 5 employés simultanément. De manière préférentielle, le mélange gazeux est entraîné par un gaz vecteur approprié tel que par exemple, de l'hélium, de l'argon ou de l'hydrogène ou des mélanges de ceux-ci. Le procédé de l'invention permet d'obtenir ainsi un film en un 10 matériau choisi pour ses propriétés, par exemple mécaniques, optiques ou électriques, et de lui ajouter des fonctionnalités -COOH, pendant que le film est en cours de croissance. Ainsi, le procédé de l'invention consiste à démarrer la formation d'un film mince avec un précurseur ne présentant pas de fonctionnalité -COOH 15 et de créer la liaison entre le matériau formé et la fonctionnalité -COOH in situ. Il suffit donc que le précurseur contienne du carbone et que de l'eau soit introduite dans l'enceinte. De façon inattendue, on a découvert qu'il était possible de fabriquer des dépôt résistants et bien sûr non adhérents ou à adhérence minimale vis-à-vis des espèces biologiques par le procédé de 20 l'invention qui permet de travailler à des puissances plus importantes, du plasma, lorsque le plasma est utilisé en tant que source d'énergie. Le précurseur est tout précurseur contenant du carbone. Il peut être choisi de façon à créer un film de revêtement hydrophile ou hydrophobe. Ainsi, en choisissant un précurseur d'un matériau hydrophile, on 25 obtiendra un film de revêtement hydrophile. Parmi les précurseurs de matériau hydrophile, on peut citer les hydrocarbures. De préférence, on utilise, dans le cas où l'on veut obtenir un revêtement hydrophile, C2H2 ou C9H10 ou un mélange de ceux-ci. Lorsque l'on veut obtenir un revêtement hydrophobe, on utilise 30 un précurseur de matériau hydrophobe, tel qu'un fluorocarbure, de préférence C4F8 ou C2F4. 2909013 5 Pour former un film hydrophobe, on peut aussi utiliser un organosilicié comme, par exemple, l'hexaméthyldisiloxane (HMDSO) en tant que matériau précurseur. Autrement dit, l'invention permet le dépôt d'un film ayant les 5 caractéristiques mécaniques, électriques et/ou optique voulues, et une adhérence minimale vis-à-vis des espèces biologiques, en particulier, sur tous types de systèmes biologiques implantés, d'une part, et sur tous types de systèmes fluidiques pour des applications biologiques, d'autre part. On peut citer de manière non exhaustive, le traitement des 10 implants intra-oculaires, des cathéters, le traitement des canaux de systèmes micro fluidique(s) tels que les lab-on-Chips ou les MEMS (Micro Electro Mechanical System), etc... En effet, la réduction des échelles confère aux surfaces une importance de plus en plus élevée et il est donc nécessaire de contrôler au 15 mieux leurs activités biologiques. De plus, grâce au procédé de l'invention, on peut par exemple rendre l'intérieur d'un canal non adhérent à la matière biologique. En effet, en fonction du choix du matériau fonctionnalisé de départ et donc du précurseur utilisé, le canal pourra être au choix rendu 20 hydrophile ou hydrophobe. Cet avantage est particulièrement intéressant dans le cadre de la réalisation de vannes passives comme cela sera expliqué dans les exemples. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lueur de la description 25 qui suit et qui est faite en référence à des exemples de mises en oeuvre des procédés de l'invention et aux figures dans lesquelles : - la figure 1 représente schématiquement un exemple de dispositif de mise en oeuvre du procédé de l'invention, - la figure 2 représente le spectre infrarouge d'un film en 30 polytétrafluoréthylène-like (PTFE-like) obtenu à partir de C4F8 sans fonctionnalisation, 2909013 6 - la figure 3 représente le spectre infrarouge d'un film PTFE-like obtenu à partir de C4F8 selon le procédé de l'invention, - la figure 4 représente le spectre infrarouge d'un film de carbone amorphe (a-CH), c'est-à-dire hydrophile, sans fonctionnalisation, 5 obtenu à partir de C9H10, - la figure 5 représente le spectre infrarouge d'un film a-CH obtenu à partir de C9H10 selon le procédé de l'invention, -la figure 6 représente le spectre infrarouge d'un film de polyméthyldisiloxane-like (PDMS-like) obtenu à partir d'hexaméthyldisiloxane, 10 sans fonctionnalisation, - la figure 7 représente le spectre infrarouge d'un film de PDMS-like obtenu à partir d'hexaméthyldisiloxane selon le procédé de l'invention, - la figure 8 est une représentation schématique d'une valve 15 micro-fluidique passive selon un mode de réalisation de l'invention. Les exemples de mise en oeuvre et de réalisation de l'invention qui sont donnés ci-après ne sont donnés qu'à titre illustratif et ne doivent en aucun cas être considérés comme limitatifs de l'invention. Le principe du procédé de fonctionnalisation de films minces en 20 cours de croissance par des fonctions COOH pour la réalisation de surfaces non adhérentes à de la matière biologique ainsi que le procédé de revêtement en film mince à adhérence minimale vis-à-vis d'espèces biologiques de l'invention seront décrits en référence à la figure 1. Ainsi, l'invention consiste à injecter, dans une enceinte close, 25 notée 7 en figure 1, maintenue sous vide grâce à la pompe à vide (non représentée) reliée à la canalisation notée 6 en figure 1, d'une part le ou les précurseurs des matériaux finaux du revêtement, sous forme gazeuse, par la canalisation notée 2 en figure 1, ainsi que, d'autre part, de la vapeur d'eau, par la canalisation notée 1 en figure 1. 30 Les canalisations 1 et 2 sont reliées à une canalisation perforée notée 3 en figure 1 qui permet le transport du ou des précurseurs et de la vapeur d'eau à l'intérieur de l'enceinte 7. L'échantillon à revêtir, noté 8 en figure 2909013 7 1, est placé sur le porte échantillon noté 5 en figure 1, et le ou les précurseurs et l'eau sont décomposés par plasma au niveau de la zone de réaction chimique, notée 9 en figure 1, et les produits de réaction sont déposés sur l'échantillon 8. 5 Ce procédé permet la formation in situ en cours de croissance du film, d'acide carboxylique, et son incorporation dans la couche en cours de croissance. Comme on l'a déjà dit, l'injection de vapeur d'eau dans les plasmas est généralement réservée à la gravure. En effet, la décomposition de 10 la molécule H2O mène à la formation de radicaux OH" particulièrement efficaces pour la gravure des matières organiques. Son utilisation dans les procédés de dépôt organique est donc, dans l'art antérieur, considérée comme rédhibitoire. Cependant, grâce aux procédés de l'invention dans lesquels la liaison COOH-revêtement s'effectue in situ, il est possible d'utiliser l'eau non 15 pas comme un agent de gravure mais comme vecteur de fonctionnalisation par des fonctions acide carboxylique (-COOH) des couches en cours de croissance, comme cela sera montré dans les exemples qui suivent, car les procédés de l'invention permettent d'utiliser des puissances de plasma plus élevées. Exemple 1 Dans cet exemple, une couche de PTFE-like fonctionnalisée par le procédé de l'invention est déposée sur un substrat de silicium. Les conditions opératoires pour le dépôt et la croissance de la couche sont les suivantes : - Précurseur : C4F8 -Puissance du plasma : 300 W - Débit du précurseur C4F8 : 80 cm3/mn Débit de H2O : 10 cm3/mn - Temps : 1 mn - Pression : 1 mb. 20 25 30 2909013 8 Pour comparaison, un substrat de silicium a été revêtu avec une couche obtenue à partir du même précurseur C4F8, sans ajout d'eau, dans les mêmes conditions. Le spectre infrarouge du dépôt obtenu sans ajout de H2O, c'est- 5 à-dire non fonctionnalisé est représenté en figure 2. Comme on le voit en figure 2, le revêtement obtenu n'est pas fonctionnalisé par des groupements COOH, ce spectre ne faisant apparaître que les pics d'absorption de la matrice fluorocarbonée. En contraste, le spectre infrarouge du dépôt obtenu avec le 10 procédé de l'invention, c'est-àdire en utilisant en tant que précurseur C4F8 et de l'eau, fait très clairement apparaître la présence de groupements COOH (C = O environ 1700 cm-1 ; O-H environ 3500 cm-1). La propriété d'adhérence minimale vis-à-vis des espèces biologiques de ces deux couches a été analysée par marquage de protéines 15 aux fluorophores Cy3 et Cy5 d'antigène, de lysat cellulaire, de sérum et de biopsie. Les résultats de cette étude montrent clairement que la couche fonctionnalisée par le procédé de l'invention présente une adhérence minimale vis-à-vis des espèces biologiques tandis que la couche non fonctionnalisée présente une adhérence élevée. 20 Dans le même temps, des mesures d'angles de contact ont été réalisées sur les deux surfaces. L'angle de contact pour la surface non fonctionnalisée est de 110 et pour la surface fonctionnalisée est de 105 . Ces résultats montrent que la couche fonctionnalisée a gardé les propriétés de faible énergie de surface de la matrice de départ. 25 Cet exemple montre qu'il est possible de réaliser une surface hydrophobe à adhérence minimale vis-à-vis des espèces biologiques. Exemple 2 Le revêtement d'un substrat de silicium par une couche de carbone amorphe par le procédé de l'invention a été réalisé dans les conditions 30 suivantes : - Précurseur C9H10 - Puissance du plasma : 100 W 2909013 9 - Débit du précurseur C9F10 : 500 cm3/mn - Débit H2O : 20 cm3/mn - Temps : 2 mn - Pression : 1 mb. 5 Un autre revêtement a été réalisé dans les mêmes conditions opératoires, mais en l'absence d'eau. Le spectre infrarouge du dépôt obtenu sans ajout d'eau est représenté en figure 4. Comme on le voit, en figure 4, la couche obtenue n'est pas fonctionnalisée par des groupements -COOH alors que, comme on le voit 10 en figure 5, qui représente la couche obtenue avec le procédé de l'invention, cette dernière est fonctionnalisée. Les mesures d'angles de contact réalisées sur ces deux surfaces donnent, pour la surface obtenue selon le procédé de l'invention un angle de contact de 32 et, pour la surface non fonctionnalisée, un angle de 15 contact de 28 . Ces résultats montrent que la couche obtenue selon le procédé de l'invention a gardé les propriétés de forte énergie de surface de la matrice de départ. Il est ainsi possible de réaliser une surface hydrophile à adhérence minimale vis-à-vis des espèces biologiques. Exemple 3 20 Une couche de PDMS-like a été déposée sur un substrat de silicium par le procédé de l'invention. Le précurseur utilisé est l'hexaméthyldisiloxane (HMDSO) : Puissance du plasma : 100 W Débit du précurseur HMDSO : 60 cm3/mn 25 Débit de H2O: 10 cm3/mn Temps : 2 mn - Pression : 1 mb. Une couche a été déposée de la même façon sur un substrat de silicium. Cependant, dans ce cas, de l'eau n'a pas été injectée dans 30 l'enceinte de plasma. 15 20 25 2909013 10 Le spectre infrarouge de la couche obtenue par le procédé sans injection d'eau est représenté en figure 6. Il montre clairement que la couche n'a pas été fonctionnalisée par les groupements COOH. En revanche, le spectre infrarouge représenté en figure 7, 5 obtenu sur la couche obtenue par le procédé selon l'invention, fais: apparaître la présence de ces groupements COOH. Ainsi, toutes sortes de matériaux peuvent être fonctionnalisés avec des groupements acides carboxyliques possédant des propriétés de non adhésion ou de faible adhésion vis-à-vis de la matière biologique. 10 Exemple 4 L'invention permet le dépôt d'un film à adhérence minimale vis-à-vis des espèces biologiques sur tous types de systèmes biologiques implantés d'une part, et systèmes fluidiques pour des applications biologiques d'autre part. Par exemple, et comme représenté en figure 8, les canaux de système micro fluidique(s) tels que les lab-on-Chips ou les MEMS peuvent être revêtus d'une couche de matériau non adhérent à la matière biologique, mais également, cette couche pourra être rendue au choix hydrophile ou hydrophobe. La figure 8 représente une valve micro-fluidique passive, qui comporte un premier canal noté 9 et un second canal noté 10 en figure 8. La paroi, notée 12 en figure 8, du canal 9 est revêtue d'un dépôt à fonctionnalité -COOH hydrophile, alors que la paroi, notée 11 en figure 8, du canal 10 est revêtue d'un matériau à fonctionnalité -COOH hydrophobe. Le revêtement avec un matériau hydrophobe de la paroi 11 du canal 10 permet d'empêcher la remontée du fluide, circulant dans le canal 9 dans le sens de la flèche notée F1 en figure 8, vers le canal 10, dans lequel le fluide circule dans le sens de la flèche notée F2 en figure 8. REVENDICATIONS 1. Procédé de revêtement en film mince à adhérence minimale vis-à-vis d'espèces biologiques du type comprenant le dépôt d'un film mince à fonction -COOH caractérisé en ce qu'il comprend une étape de fonctionnalisation par des fonctions -COOH du dit film en cours de croissance. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que ladite étape de fonctionnalisation est une étape de décomposition chimique en phase vapeur d'un précurseur carboné en présence d'eau. 3. Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce que ladite étape de décomposition chimique en phase vapeur esi: activée par plasma, et/ou par apport de chaleur, et/ou par apport d'oncles et/ou de radiations, de préférence par plasma. 4. Procédé selon la revendication 2 ou 3 caractérisé en ce que le précurseur carboné est un précurseur d'un matériau hydrophobe tel qu'un fluorocarbure ou un organosilicié ou leurs mélanges. 5. Procédé selon la revendication 4 caractérisé en ce que le précurseur du matériau hydrophobe est C4F8 ou C2F4 (ou de l'hexaméthyldisiloxane) ou les mélanges de ceux-ci. 6. Procédé selon la revendication 2 ou 3 caractérisé en ce que le précurseur carboné est un précurseur de matériau hydrophile tel qu'un hydrocarbure. 7. Procédé selon la revendication 6 caractérisé en ce que le précurseur de matériau hydrophile est C2H2 ou C9H,o.25